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    Curso Instrumentación  Industrial        Manual del alumno           

         

 

1  Área de Educación a Distancia y Semipresencial, Formal y No Formal  Docente: Ing. Pablo Marelli. Ing Diego Lopez.     

 

     

INDICE    Introducción………………………………………………………………………….…………………………  Simbología Norma ISA………………………………………………………………………….………….  Sensores……………………………………………………………………………………………….………….  Detectores ………………………………………………………………………………………………………  Transmisores de Señal………………………………………………………….…………………………  Actuadores……………………………………………………………………………..……………………….  Controladores…………………………………………………………………………..……………………..  Controlador Lógico Programable – PLC……………………………….……………………………  Comunicaciones……………………………………………………………………………………………….  Ejemplos de procesos………………………………………………………………………………………   

2  Área de Educación a Distancia y Semipresencial, Formal y No Formal  Docente: Ing. Pablo Marelli. Ing Diego Lopez.     

3 7 20 42 58 61 84 87 94 99

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INTRODUCCIÓN Se define a la automatización como el estudio de los métodos y procedimientos cuya finalidad es la sustitución del operador humano por un operador artificial en la generación de una tarea física o mental previamente programada. Partiendo de esta definición y refiriéndonos al ámbito industrial, puede definirse a la automatización como el estudio y aplicación de los métodos de control a los procesos industriales En función del tipo de proceso que se pretende controlar y de la forma en la que se realice dicho control, el operador artificial o sistema de control presentará una configuración y características determinadas. Hay dos formas de realizar el control de un proceso industrial. Control en lazo abierto

El control de lazo abierto se caracteriza porque la información o variables que controlan el proceso circulan en una sola dirección, desde el sistema de control al proceso. El sistema de control no recibe la confirmación de que las acciones que a través de los actuadotes ha de realizar sobre el proceso se han ejecutado correctamente.

Control en lazo cerrado El control en lazo cerrado se caracteriza porque existe una realimentación a través de los sensores desde el proceso hacia el sistema de control, que permite a este último conocer si las acciones ordenadas a las actuadotes se han realizado correctamente sobre el proceso.

La mayoría de procesos existentes en la industria utilizan el control en lazo cerrad, bien, porque el producto que se pretende obtener o la variable que se controla necesita un control continuo en función de unos determinados parámetros de entrada, o bien, porque el proceso a controlar se

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subdivide en una serie de acciones elementales de tal forma que, para realizar una determinada acción sobre el proceso, es necesario que previamente se hayan realizado otra serie de acciones elementales. Como veremos posteriormente, la configuración del sistema de control, el número de variables de entrada y salida de que dispone, así como la naturaleza de estas variables, depende del tipo de proceso industrial que se pretende controlar. Tipos de procesos industriales Los procesos industriales, en función de su evolución con el tiempo, pueden clasificarse en alguno de los grupos siguientes: • Continuos. • Discontínuos o por lotes. • Discretos. Tradicionalmente, el concepto de automatización industrial se ha ligado al estudio y aplicación de los sistemas de control empleados en los procesos discontinuos y los procesos discretos, dejando los procesos continuos a disciplinas como regulación o servomecanismos. No obstante haremos a continuación una breve descripción sobre los diferentes tipos de procesos y los sistemas de control que pueden emplearse en ellos.

Procesos continuos

Un proceso continuo se caracteriza porque las materias primas están constantemente entrando por un extremo del sistema, mientras que en el otro extremo se obtiene de forma continúa un producto terminado

Un ejemplo típico de proceso continuo puede ser un sistema de calefacción: para mantener una temperatura constante en una determinada instalación industrial. La materia prima de entrada es la temperatura que se quiere alcanzar en la instalación; la salida será la temperatura que realmente existe. El sistema de control consta de un comparador que proporciona una señal de error igual a la diferencia entre la temperatura deseada y la temperatura que realmente existe; la señal de error se aplica al regulador que adaptará y amplificará la señal que ha de controlar la electroválvula que

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permite el paso de gas hacia el quemador de la caldera. El regulador en función de la señal de error y de las pérdidas de calor existentes en la instalación mantendrá la temperatura deseada en la instalación, controlando la cantidad de gas que pasa por la electroválvula. El actuador esta constituido por la electroválvula; se utilizan dos sensores: la temperatura real existente en la sala y la temperatura programada por el operario. A la vista de la instalación se comprueba dos características propias de los sistemas continuos: • El proceso se realiza durante un tiempo relativamente largo. • Las variables empleadas en el proceso y sistema de control son de tipo analógico; dentro de unos límites determinados las variables pueden tomar infinitos valores. El estudio y aplicaci6n de los sistemas continuos es objeto de disciplinas como Regulaci6n y Servomecanismos.

Procesos discretos

El producto de salida se obtiene a través de una serie de operaciones, muchas de ellas con gran similitud entre sí. La materia prima sobre la que se trabaja es habitualmente un elemento discreto que se trabaja de forma individual

Un ejemplo de proceso discreto es la fabricación de una pieza metálica rectangular con dos taladros. El proceso para obtener la pieza terminada puede descomponerse en una serie de estados que han de realizarse secuencialmente, de forma que para realizar un estado determinado es necesario que se hayan realizado correctamente los anteriores. Para el ejemplo propuesto estos estados son: • • •

Corte de la pieza rectangular con unas dimensiones determinadas, a partir de una barra que alimenta la sierra. Transporte de la pieza rectangular a la base del taladro. Realizar el taladro A

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• •

Realizar el taladro B. Evacuar pieza.

Cada uno de estos estados supone a su vez una serie de activaciones y desactivaciones de los actuadores (motores y cilindros neumáticos) que se producirán en función de: • •

Los sensores (sensores de posición situados sobre la cámara de los cilindros y contactos auxiliares situados en los contactores que activan los motores eléctricos). Variable que indica que se ha realizado el estado anterior.

Procesos discontinuos o por lotes

Se reciben a la entrada del proceso las cantidades de las diferentes piezas discretas que se necesitan para realizar el proceso. Sobre este conjunto se realizan las operaciones necesarias para producir un producto acabado o un producto intermedio listo para un procesamiento posterior.

Por ejemplo, se trata de formar una pieza de una máquina partiendo de las piezas representadas en la figura, que se han obtenido a partir de una serie de procesos discretos; las piezas se ensamblarán como se indica en la figura; una vez colocadas se remacharán los cilindros superiores de las piezas C, D y E deforma que pueda obtenerse la pieza terminada. El proceso puede descomponerse en estados, que, por ejemplo, podrían ser: • Posicionar piezas C, D y E. • Posicionar piezas B. • Posicionar pieza A. • Remachar los cilindros superiores de C, D y E. Estos estados se realizarán de forma secuencial, y para activar los dispositivos encargados de posicionar las diferentes piezas -como ocurría en el proceso discreto- serán necesarias: • Señales de sensores. • Variables de estados anteriores.

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SIMBOLOS Y DIAGRAMAS Es necesario, para la correcta comprensión de los esquemas de control y para la estandarización de los mismos, comprender la simbología para la representación de las principales variables de un proceso y los diagramas de detalle de lazos de control. La Instruments Society of America – ISA, publica normas para símbolos, términos y diagramas que son generalmente reconocidos en la industria. Estas normas nos permiten interpretar el tipo de señales empleadas, la secuencia de componentes interconectados, la instrumentación utilizada, con el propósito de indicar la aplicación en el control de procesos. Identificación del Instrumento Los instrumentos son generalmente identificados por números en una etiqueta. El número de la etiqueta identifica (1) la función en el proceso y (2) el lazo de control en el cual está localizado. La figura 1 indica cómo las letras y los números son seleccionados y agrupados para lograr una rápida identificación.

PRIMERA LETRA

LETRAS SIGUIENTES

NUMERO LAZO CONTROL

F

RC

102

IDENTIFICACION FUNCIONAL

DE SUFIJO (SI DE NECESARIO)

ES

A

IDENTIFICACION DEL LAZO

La función o variable de proceso puede ser fácilmente asociada con el tipo de medición realizada en el proceso. Así, FRC (Flow Recorder Controler) mostrado en la figura. 1 identifica un controlador registrador de flujo. Las letras del alfabeto son utilizadas para formar la combinación de estos nombres. En la figura. 2 su muestra la tabla con las letras correspondientes a cada termino. Los números para la identificación del lazo de control tienen una base diferente y sirve para un propósito diferente. El FRC de la figura 1, por ejemplo, es también el número del lazo del instrumento en este caso el 102 en un proceso. Normalmente cuando se tiene varios instrumentos del mismo tipo se agrega una letra después del número. Por ejemplo, si el registrador de flujo recibe señales de dos transmisores de flujo separados, la etiqueta de un transmisor se podría leer FT 102 A y la otra se podría identificar por FT 102 B.

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PRIMERA LETRA

LETRAS POSTERIORES

Letra Variable medida

Letra de Función de Función Modificación lectura pasiva Salida

A

Análisis

B

Quemador (Burneo)

C

Conductividad

D

Densidad

E

Tensión

F

Flujo

G

Selección usuario

H

Manual (hand)

I

Corriente

J

Potencia

de Letra de Modificación

Alarma

Controlador Diferencial Elemento sensor Relación

del Alto Indicador

K

Estación control

L

Nivel (Level)

M

Humedad (moisture)

N

Selección usuario

del

O

Selección usuario

del

P

Presión

Q

Calidad (Quality)

R

Radioactividad

Luz

de Bajo Medio

Orificio Punto control Totalizador Registrador

de

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S

Velocidad (Speed)

Seguridad

T

Temperatura

U

Multivariable

V

Vibración

W

Peso (Weight)

X

Selección usuario

del

Y

Selección usuario

del

Z

Posición

Interruptor (Switch) Transmisor Multifunción Válvula Vaina (pozo)

Rele Calculador Actuador Accionamiento

Fig. 2 Identificación del Instrumento con Letras En los diagramas los números de la etiqueta son colocados dentro de círculos. La figura 3 muestra varias normas de arreglos de círculos. Note que la identificación funcional está siempre en la mitad superior del globo mientras que el número del lazo de control está en la mitad inferior. Una línea dibujada en el centro indica un instrumento montado en el panel de control. Un circulo sin línea en el centro indica que está montado en forma local o en el campo. Una línea punteada indica que está montado atrás del tablero de control Cuando dos círculos son dibujados unidos están indicando múltiples funciones. Por ejemplo si el FRC ( Control registrador de flujo) mostrado en la figura 1 incluye una segunda plumilla para graficar presión, un circulo doble aparecería en el dibujo para indicar su función. Un número colocado fuera del círculo identifica el tablero de control donde el instrumento está instalado (Figura 3).

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Montado localmente, Montado en el panel Montado detrás del en campo principal, accesible al panel operador Elementos individuales Display en sistemas de control distribuído Calculador de funciones lógicas Controlador programable

lógico

Fig. 3 Símbolos Estándar Las señales de instrumentación utilizadas en el control de procesos son usualmente de los siguientes tipos: Neumática, electrónica (eléctrica), capilar, hidráulica, sónica o indicando radioactividad. Cada señal tiene un símbolo diferente y los símbolos son mostrados en la figura 4.

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Fig. 4. Líneas de Conexión de Instrumentos Símbolos en el Control de Procesos En un proceso de intercambio de calor como el mostrado en la figura 5 se utilizan varios elementos primarios y varios tipos de señales. Señales eléctricas y neumáticas son utilizadas en este diagrama para demostrar aplicaciones típicas de los símbolos de instrumentos. Se puede observar: Lazo 100: Un transmisor de flujo donde el elemento primario es un tubo venturi. La señal al registrador es eléctrica. Lazo 101: el controlador registrador de temperatura 101, montado sobre panel, tiene una entrada capilar y una salida neumática a la válvula de control. Las letras FO justo debajo del símbolo de la válvula, indica que la válvula abre si el diafragma se rompe, o la señal de aire falla, o si existe una condición similar. El segundo círculo unido al TRC (TS 101) significa que se utiliza un interruptor para activar un TAL (alarma por baja temperatura en el panel de control. En el controlador tiene salidas de alarma y corte. Lazo 102: sobre el elemento sensor a brida orificio, se leen las señales de presión para el transmisor de flujo. La salida neumática del transmisor montado localmente FT 102, envía una señal al registrador que está sobre el panel de control con la identificación FR 102. Lazo 103: se utiliza una de las tomas del FE 102 para el transmisor de presión que corresponde al Lazo 103. Notar que la línea que une el transmisor de presión al proceso es colocada en el lado de salida de la placa de orificio, lo cual indica que se registra la presión de salida. Cuando se miden fluidos compresibles (gas, aire, vapor), el uso de la presión de entrada o la de salida afectará significativamente la cantidad final o el volumen que se calcule con los datos registrados. La presión de salida es registrada. Los lazos combinados para la medición del flujo de vapor (FR 102) y la presión del vapor (PR 103) ilustran cómo son aplicados los símbolos para un mismo con dos funciones. Se puede obtener considerable información sobre el proceso y la instrumentación estudiando dibujos similares a los de la figura 5.

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En el ejemplo mostrado en la figura 5, el vapor fluye al intercambiador para calentar el fluido del proceso.

Fig. 5 Símbolos de Instrumentos en un Proceso Simple Reconocimiento de Símbolos Si se requiere determinar el significado de las conexiones de los lazos, deberán reconocerse los símbolos representativos de los elementos primario y final. Se muestran los dispositivos primarios para temperatura, presión, nivel y flujo en las figuras 6 a la 9. La figura 10 está dedicada a los dispositivos finales. Existen otros dispositivos primarios y finales además de los mostrados en las figuras, sin embargo, reconociendo los aquí presentados facilita el reconocimiento de otros. Temperatura En la figura 6, los TW (termopozos) son incluidos dentro de los elementos primarios. Por ejemplo el elemento primario TR 31 indica un registrador de temperatura que está directamente conectado a la tubería del proceso por un sistema de llenado térmico. Para probar los instrumentos instalados con exactitud y sin mover o reemplazar el elemento primario, se inserta un termómetro de vidrio, termopar de prueba o un bulbo de resistencia en el termopozo.

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Fig. 6 Elementos Primarios para Control de Temperatura Presión La figura 7 muestra algunas aplicaciones de medición de presión más comunes en instrumentación de procesos.

Fig. 7 Elementos Primarios para Control de Presión Nivel La figura 8 muestra que los símbolos de nivel y las instalaciones tienen mucho en común. Note la diferencia entre LT 18 y LT 19. El LT 18 tiene una derivación diferencial aplicada a

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un recipiente cerrado o presionado y el LT 19 es conectado a un tanque abierto, además el lado de baja presión es venteado a la atmósfera.

Fig. 8 Elementos Primarios de Control de Nivel Flujo En la figura 9, el FE-5 es un tubo Pitot y el FE 9 (Flow element) es un medidor de turbina, ambos dibujos se asemejan en los mecanismos de los medidores de flujo que representan, porque se buscó que los símbolos fueran lo más parecido posible a los aparatos medidores.

Fig. 9 Elementos Primarios para Control de Flujo

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Elementos finales de control. Las válvulas, elementos finales en los lazos de control se muestran en la figura 10, las válvulas son los elementos de control más comunes, sin embargo se utilizan también otros elementos finales de control como son los amortiguadores, controles de velocidad o circuitería de posición. Nótese que cualquiera de los actuadores listados puede ser utilizado con cualquiera de los cuerpos de las válvulas mostradas. Usualmente se utilizan sólo los símbolos más simples y se reservan las especificaciones detalladas para los diagramas de los lazos de control.

Fig. 10 Elementos Finales de Control Diversos Símbolos La figura 11 muestra otros símbolos frecuentemente utilizados que en varios ejemplos éstos aparecen en los dibujos subsecuentes, es importante familiarizarse con ellos.

Fig. 11 Diversos Símbolos

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Aplicaciones Para mostrar un proceso y el control de procesos, particularmente, se utilizan un diagrama denominado P & I (o Diagrama de Tuberías e Instrumentación o Diagrama de Proceso e Instrumentos) . El P & I es la base de cualquier diseño de procesos. Es un diagrama que puede medir grandes dimensiones, dado que recipientes, bombas y otros componentes se muestran en este tipo de dibujo. Las líneas en él representan la tubería que se requiere para operar el proceso. Así, es un "diagrama de rutas" de los caminos tomados por los diferentes fluidos del proceso. Las dimensiones de bombas y los tubos pueden estár contenidos. Un P & I bien detallado, simplifica sus decisiones sobre cómo controlar o instrumentar el proceso. No todos los instrumentos mostrados en el P & I trabajan como instrumentos de control. Revisión de especificaciones de instrumentos Ubicación. Los diagramas de ubicación muestran con detalle la posición de la instrumentación y equipo instalado en y alrededor del proceso.

La figura 12 es una vista simplificada de un evaporador. Este diagrama es en realidad un plano que muestra las principales partes del equipo del proceso, tales como calefactores, cabezales de vapor y bombas. Los círculos adyacentes identifican los instrumentos utilizados en el sistema. Debajo de cada circulo que representa un instrumento, está una notación indicando la elevación a la cual el instrumento está instalado. Fig. 12 Dibujo Típico de Localización de instrumentos y equipos. (FT significa elevación en pies)

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Un diagrama de ubicación es especialmente útil para el técnico que no está familiarizado con el área; es también de valor para el que instala el equipo, puesto que da una elevación definida y una posición para cada uno de los instrumentos y equipos del proceso. Otros diagramas muestran la tubería de aire del instrumento y las principales vías de las señales del instrumento. Diagramas de lazos Los diagramas de lazos de control son probablemente los más importantes para el técnico o instrumentista de mantenimiento. La figura 13 es un diagrama de lazo de control típico, muestra un lazo de flujo con un transmisor diferencial electrónico conectado a una placa de orificio.

Fig. 13 Diagrama de un Lazo de control Información restante podría darse indicando si el orificio está excéntrico o segmentado. Este dato permite hacer la calibración, probar o determinar una posible falla. Diagrama de cableado La figura 15 ilustra un concepto de cableado único. Dado que todos los conductores se conectan bornes terminales y no hay conductores conectándose de un componente a otro, cualquier equipo puede ser desconectado sin alterar la señal del resto de los instrumentos. 1. El diagrama en pocas líneas 2. Los componentes son divididos en dos clasificaciones: los principales instrumentos del frente del pánel están numerados. Las piezas secundarias del equipo, tales como extractores de raíz cuadrada o interruptores de alarmas, son identificados con letras. 3. El técnico o instrumentista de mantenimiento no necesita un diagrama impreso con los conductores desde un borne a otro dado que el sistema los identifica en ambos extremos de cada conductor, proporcionando toda la información requerida.

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Note que: el terminal 2 al borne 10 en el componente 1, el terminal 3 al borne 10 en el componente 2 y el terminal 4 a los bornes 3 y 6 del componente A. Los cuadros indican que los conductores van a un instrumento en el panel rontal. Los círculos indican que los conductores van a un instrumento en el panel trasero. Con un poco de práctica se familiariza rápidamente con este tipo de diagramas.

Fig. 15 Diagrama de cableado

Fig. 16. Tabla de Funciones Lógicas

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Resumen Un sistema de identificación de instrumentos podría incluir los siguientes componentes: 1. Etiqueta definir la función en el proceso y la localización del instrumento. 2. Símbolos para identificar las señales del control de procesos neumáticas, hidráulicas, capilares, electrónicas, sónicas o radiactivas. 3. Símbolos para representar dispositivos de control primarios y finales que gobiernan el flujo, nivel, presión y temperatura. Se utilizan distintos tipos de dibujos en sistemas de control de procesos. 1. El de tuberías e instrumentos, como la base de cualquier diseño de procesos. 2. Esquemas para indicar la posición de instrumentos y equipos instalados 3. Esquemas de instalación para proporcionar detalles de partes y posiciones de los instrumentos 4. Diagramas de lazos de control para calibración y localización de fallas.

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SENSORES Y TRANDUCTORES En todo proceso a controlar, es preciso obtener mediciones de distintas variables del mismo para poder tomar acción sobre estas u otras variables. La variables más comúnmente medidas y monitoreadas son: Temperatura, nivel, presión y caudal. En menor medias otras como humedad, etc. SENSORES DE TEMPERATURA Los sensores más comunes son: Termocupla, termorresistencia y elementos de estado sólido. A fin de seleccionar el mejor sensor para una aplicación dada, se deben considerar varios factores, como ser rangos de temperatura, exactitud, velocidad de respuesta, costo y requerimientos de mantenimiento. Estos factores serán analizados a continuación en relación a aquellos dispositivos de uso más común en las industrias de proceso: termocuplas, termoresistencias, termistores, sistemas de dilatación y pirómetros de radiación u ópticos. En la Tabla se listan los rangos de temperatura medidos normalmente mediante sensores estándar. Estos rangos no representan los extremos alcanzables, sino los límites que pueden medirse con los dispositivos disponibles por lo general en el mercado y que son suministrados por la mayoría de los fabricantes. Se pueden medir mayores y menores temperaturas, pero generalmente con una menor exactitud y a un mayor costo.

SISTEMA

RANGO EN ºC

Termocuplas

-200 a 2800

Sistemas de dilatación (capilares o bimetálicos )

-195 a 760

Termorresistencias

-250 a 850

Termistores

-195 a 450

Pirómetros de radiación

-40 a 4000

TERMORRESISTENCIAS El principio de medición de la temperatura con termómetros de resistencia está basado en la variación de valor de la resistencia eléctrica de un conductor metálico en función de la temperatura. De una forma aproximada, pero no por ello lejos de lo real, la variación de la resistencia eléctrica de un metal a raíz de la temperatura puede presentarse mediante la expresión:

R(t) = R0 (1 + αt) donde: R(t): Resistencia eléctrica a la temperatura “t” R0: Resistencia eléctrica a la temperatura de 0 Cº α: Coeficiente de variación de la resistencia eléctrica en función de la temperatura medida en ºC; t: Temperatura medida en ºC. El coeficiente “α” varía a raíz de la temperatura y ese hecho debe considerarse en los termómetros de resistencia, sobre todo cuando éstos se utilizan para medición en un intervalo de temperatura superior a los 100ºC.

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Entre los metales más adecuados que se utilizan para termometría de resistencia están: Aleación de Rh 99,5% + Fe 0,5%: Se usa en la medición de temperatura en la franja de 0,5K a 25K (-272,65ºC a -248,15ºC); Cobre: Se utiliza en la medición de temperatura en la franja de 193,15K a 533,15 K (-80ºC a 260ºC). Posee una linealidad de 0,1ºC en un intervalo de temperatura de 200ºC. Sin embargo, su baja resistencia a la oxidación limita su franja de temperatura de utilización. Níquel: Utilizado para medición de temperatura en la franja de 213,15K a 453,15K (-60ºC a 180ºC). Los principales atractivos en su utilización son su bajo costo y la alta sensibilidad. Su principal desventaja es la baja linealidad. Platino: Utilizado para medición de temperaturas en la franja de 25K a 1235K (-248ºC a 962ºC). Es el metal más utilizado en la construcción de termómetros de resistencia por su amplia franja de utilización, tiene buena linealidad y mejor resistencia a la oxidación. De este material esta construido el sensor mas conocido, llamado PT100. Debe su nombre a que a 0ºC tiene un resistencia de 100 Ω. Tipos de Bulbos: Bulbos de Cerámica El cable es bobinado en forma helicoidal y encapsulado en cerámica. Entre todos los tipos de bulbos es el que permite utilizarse en toda franja de temperatura, proporciona mayor estabilidad y hay versiones para ser utilizadas con aplicaciones sujetas a choques mecánicos y vibración.

Bulbos de Vidrio El cable es bobinado en forma bifilar directamente sobre una base de vidrio y posteriormente revestido también con vidrio. Este ensamblaje permite su utilización en condiciones severas de choque mecánico y vibración y la cápsula de vidrio permite la utilización directa en soluciones ácidas, alcalinas y líquidos orgánicos. Bulbos de Película Fina En este tipo de bulbo, el platino se deposita en un substrato cerámico que permite la fabricación de bulbos con dimensiones reducidas tanto en la versión plana como en la versión cilíndrica.

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Sistemas de Conexiones Configuración básica del elemento sensor. Esta figura representa el elemento sensor de un TRPI, el cual tiene como dimensiones típicas: - E: 10 mm a 40 mm; - D: 1 mm a 4 mm; En la extremidad del bulbo van soldados los cables de conexión acondicionados en un soporte adecuado. El conjunto es introducido en el interior de un tubo metálico. Como el valor de resistencia que permite determinar la temperatura es solamente la resistencia del bulbo y no a la resistencia de los cables de conexión, existen tres esquemas básicos de conexión del bulbo. Justificamos a cada uno de ellos: Conexión a Dos Cables Se tendrá la siguiente relación entre las resistencias. RBULBO + RL1 + RL2 = R1.R3 / R2 Si R3 = R2 entonces RBULBO + RL1 + RL2 = R1. Una vez que se conoce R1, queda determinado el valor de RBULBO + RL1 + RL2. Es evidente que al valor de la resistencia del bulbo se suman los valores de la resistencia de los cables de conexión, hecho que disminuye la calidad de la medición con el consecuente error en la determinación de temperatura. Conexión a Tres Cables Considerando nuevamente que R2 = R3, el equilibrio del puente resultará de la condición: RBULBO + RL2 = R1 + RL1 Como es posible, con buena aproximación considerar RL1 aproximadamente igual a RL2 el cual es aproximadamente igual a RL3, el efecto de los cables de conexión es muy acentuado. Este es el tipo de conexión más utilizado en termómetros de resistencia para aplicaciones industriales. Conexión a Cuatro Cables El sistema de conexión a cuatro cables elimina completamente las resistencias de los cables de conexión y se utiliza en situaciones que requieren mediciones muy precisas. Los TRPP’s se muestran con conexiones a cuatro cables, por ejemplo:

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De acuerdo con la figura, una corriente de excitación de valor conocido (usualmente 1mA) circula por el bulbo por dos de los cables de conexión mientras que por los otros dos se mide la diferencia de potencial entre los terminales A y B del sensor. Mediante Ley Ohm tenemos que:

Por tanto:

El sistema de conexión a cuatro cables elimina completamente las resistencias de los cables de conexión y se utiliza en situaciones que requieren mediciones muy precisas. TERMOCUPLAS En el año 1821, Seebeck notó que al juntar dos conductores de metales distintos, de manera que se forme un circuito eléctrico cerrado, fluía una corriente eléctrica que dependía de la diferencia de temperatura entre las junturas.

Material X Junta Fría

Junta Caliente

Material Y I

El principio de medición de temperatura utilizando termocuplas se basa en tres principios físicos, que son: 1.- Efecto Seebeck: al unir dos cables de materiales diferentes formando un circuito, se presenta una corriente eléctrica cuando las junturas se encuentran a diferente temperatura. 2.- Efecto Peltier: consiste en que cuando una corriente eléctrica fluye a través de una juntura de dos metales diferentes, se libera o absorbe calor. Cuando la corriente eléctrica fluye en la misma dirección que la corriente Seebeck, el calor es absorbido en la juntura caliente y liberado en la juntura fría. 3.- Efecto Thomson: un gradiente de temperatura en un conductor metálico está acompañado por un gradiente de voltaje, cuya magnitud y dirección depende del metal que se esté utilizando.

Material X Material Y

V

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Es importante destacar que las termocuplas funcionan con un punto frío y otro caliente. La "juntura fría" suele ser parte del instrumento amplificador, asunto que debe ser verificado al seleccionar equipos. Existen varios tipos de termocupla, puesto que cualquier par de metales conformaría un tipo determinado. Sin embargo, la empírica ha llevado al uso de ciertos tipos estandarizados, a los que se les cita por una letra (las más típicas son las tipo J, K y T). Cada tipo difiere en el material de los metales A y B. Al diferir los materiales de construcción difieren los rangos de trabajo, el voltaje generado por unidad de grado y la máxima temperatura útil (antes que se funda).

Límite de error Termocuplas metálicas

Tipo ANSIISA

Combinación de metales

Códigos de los termoelementos

Composición química

Rangos temperatura

J

Hierro/ constantan

JP

Fe

- 73ºC

a

JN

44 Ni:55 Cu

427ºC

a

Cromel/ Alumel

KP

90 Ni:9 Cr

0ºC

KN

94 Ni:A1:Mn:Fe

277ºC

-101ºC a

K

T

E

N

de

Standard

Especial

427ºC

±2,2ºC

±1,1ºC

760ºC

(± ¾ %)

(±1/3%)

a 277ºC

±2,2ºC

±1,1ºC

a 1149ºC

(±¾ %)

(±3/8 %)

-60ºC

±1.7ºC

(±1%)

93ºC

±0,8ºC

(±¾ %)

Cobre/ constantan

TP

Cu

-75ºC

TN

44 Ni:55 Cu

99ºC

a 371ºC

(±¾ %)

(±3/8 %)

Cromel/ constantan

EP

90 Ni:9 Cr

0ºC

a 316ºC

±1,7ºC

±1,1ºC

EN

44 Ni:55 Cu

316ºC

a 871ºC

(±1/2 %)

(±3/8 %)

Nicrosil/ Nisil

NP

Ni:14.2 Cr:1.4Si

0ºC

±2,2ºC

--

NN

277ºC

a

a 277ºC a 1149ºC

(±3/4 %)

Ni:4Si:0.15Mg

Por su naturaleza, las termocuplas presentan una resistencia prácticamente nula y su capacidad de generar potencia es muy débil. El amplificador a utilizar debe solicitar el mínimo posible de corriente desde la termocupla. Puesto que la fem neta generada por una termocupla es función de las temperaturas de ambas juntas, se requiere el control o la compensación de la temperatura de la junta de referencia (o junta fría), lo cual se puede lograr de tres maneras distintas. El método básico y más exacto es el de controlar la temperatura de la junta de referencia, normalmente colocando la junta en un baño de hielo (0ºC). Otro método consiste en medir la temperatura en la junta de referencia utilizando cualquier tipo de dispositivo de medición de temperatura, y luego, en base a esa temperatura y a la salida eléctrica de la junta de medición compensar la lectura de la temperatura de la junta de medición.

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Cables compensados y de extensión Como se verá más adelante, es de fundamental importancia la prolongación de los alambres termopares, muchas veces hasta la junta de referencia que puede estar lejos de la junta de medición y no siempre afectada por altas temperaturas como en el caso de los alambres de termocupla. Es allí donde aparece el uso de los conocidos cables compensados. Su misión es únicamente la de trasladar la junta de referencia hasta un lugar adecuado (de temperatura estable o conocida) y luego utilizar, para compensar el error, cualquiera de los dos primeros sistemas de compensación de junta fría mencionados. Los cables compensados reproducen las misma curvas de respuesta y de tolerancia mV/ºC , que las termocuplas entre 0 y 200º C. Se las utiliza sólo por razones económicas ya que su composición química difiere de las aleaciones de termocupla, buscándose entonces que los materiales sustitutivos sean más económicos que éstos. Resumiendo entonces: Alambres o cables de extensión son pares termoeléctricos con aleaciones iguales a las del termopar utilizado en la medición de temperatura del proceso. La diferencia básica entre el alambre o el cable esta en la rigidez del mismo. Alambres o cables de compensación son pares termoeléctricos con aleaciones diferentes de aquellas que constituyen el termopar, pero que tienen un comportamiento termoeléctrico muy próximo al del termopar, en las franjas de temperatura en que el mismo tendrá que trabajar. Los alambres/cables de extensión/compensación están disponibles en varios diámetros y tipos de aislación, cada una de ellas adecuadas a las condiciones que quedaran sometidas. Además del tipo de aleación que debe ser utilizada, la elección del aislamiento, es dato esencial en la especificación correcta del cable o alambre que debe ser utilizado. Un dato a destacar, es que cuando el cable es muy largo, o queda sometido a campos electromagnéticos intensos, pude actuar como una antena, ocasionado, fuerzas electromotrices inducidas en el circuito termoeléctrico, que se adicionan a la f.e.m. termoeléctrica, lo cual es indeseable. Aleación Tipo

Conductor +

Conductor -

Jx

Hierro (Fe) (magnesi o)

Constantan (Cu - Ni)

Kx

Níquel-Cromo (Ni - Cr)

Níquel-Alumínio (Ni - Al) (magnético)

ANSI Clase Especial

Extensión

IEC 584-3

DIN 432710

En estas situaciones se recomienda el uso de alambres/cables con una trenza metálica, puesta a tierra, con el fin de evitar estas inducciones. Al conectar una termocupla, es muy fácil incurrir en un error de cableado, que nos llevara a un error en la medición de la temperatura del proceso. Existen dos posibilidades de hacer incorrectamente la conexión entre la junta de referencia del termopar y el instrumento de medición con un cable de extensión/compensación: La inversión simple La inversión doble.

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TERMISTORES Compuesto de una mezcla sintetizada de óxidos metálicos, el termistor es esencialmente un semiconductor que se comporta como un "resistor térmico" con un coeficiente térmico de temperatura de valor muy elevado. En algunos casos, la resistencia de un termistor a la temperatura ambiente puede disminuir en hasta 6% por cada 1ºC de aumento de temperatura. Esta elevada sensibilidad a variaciones de temperatura hace que el termistor resulte muy adecuado para mediciones precisas de temperatura, utilizándoselo ampliamente para aplicaciones de control y compensación en el rango de 150ºC a 450ºC. El termistor se fabrica a partir de óxidos metálicos comprimidos y sintetizados. Los metales utilizados son níquel, cobalto, manganeso, hierro, cobre, magnesio y titanio, como típicas se pueden considerar las preparaciones de óxido de manganeso con cobre y óxido de níquel con cobre. Modificando las proporciones de óxido se puede variar la resistencia básica un termistor; se dispone de termistores con resistencias básicas a 25 ºC desde unos pocos cientos hasta varios millones de ohms. Los termistores sirven para la medición o detección de temperatura tanto en gases, como en líquidos o sólidos. A causa de su muy pequeño tamaño, se los encuentra normalmente montados en sondas o alojamientos especiales que pueden ser específicamente diseñados para posicionarlos y protegerlos adecuadamente cualquiera sea el medio donde tengan que trabajar. Se los puede adosar fácilmente o montar con tornillos, ir roscados en superficies o cementados. Los alojamientos pueden ser de acero inoxidable, aluminio, plástico, bronce u otros materiales. Las configuraciones constructivas del termistor de uso más común son los glóbulos, las sondas y los discos. Los glóbulos se fabrican formando pequeños elipsoides de material de termistor sobre dos alambres finos separados unos 0,25 mm. Normalmente recubiertos con vidrio por razones de protección, son extremadamente pequeños (0,15 mm a 1,3 mm de diámetro) y ofrecen una respuesta extremadamente rápida a variaciones de temperatura. En comparación con las termocuplas y las termorresistencias, el termistor no ofrece ventajas de exactitud de salida y estabilidad. Posiblemente, una ventaja importante esté en la extremadamente elevada sensibilidad del termistor a variaciones de temperatura Los termistores no sirven para la medición de temperatura dentro de alcances amplios puesto que sus variaciones de resistencia son demasiado grandes para que puedan medirse de una manera adecuada con un solo instrumento; alcances de alrededor de 100K suelen ser lo máximo admisible. Los termistores resultan particularmente útiles para medir alcances reducidos de temperatura justamente a causa de sus grandes variaciones de resistencia; por ejemplo, la resistencia de un termistor típico varía 156 ohms de 0ºC a 1ºC , mientras la del platino varía tan sólo 0,385 ohm. La elevada resistencia de los termistores no sólo hace aumentar la sensibilidad, posibilitando la medición de alcances reducidos de temperatura, sino también permite la conexión bifilar. La resistencia del alambre de conexión y los efectos de la temperatura ambiente son despreciables si se los compara con la resistencia del termistor y las variaciones de resistencia.

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Existen dos clases de termistores: NTC y PTC. Un Termistor NTC (Negative Temperature Coefficient) es una resistencia variable cuyo valor va decreciendo a medida que aumenta la temperatura. Son resistencias de coeficiente de temperatura negativo, constituidas por un cuerpo semiconductor cuyo coeficiente de temperatura es elevado, es decir, su conductividad crece muy rápidamente con la temperatura. Se emplean en su fabricación óxidos semiconductores de níquel, zinc, cobalto, étc. La relación entre la resistencia y la temperatura no es lineal sino exponencial:

donde A y B son constantes que dependen del termistor. La característica tensión-intensidad (V/I) de un termistor NTC presenta un carácter peculiar ya que, cuando las corrientes que lo atraviesan son pequeñas, el consumo de potencia (R * I2) será demasiado pequeño para registrar aumentos apreciables de temperatura, o lo que es igual, descensos en su resistencia óhmica; en esta parte de la característica, la relación tensión-intensidad será prácticamente lineal y en consecuencia cumplirá la ley de Ohm. Si seguimos aumentando la tensión aplicada al termistor, se llegará a un valor de intensidad en que la potencia consumida provocará aumentos de temperatura suficientemente grandes como para que la resistencia del termistor NTC disminuya apreciablemente, incrementándose la intensidad hasta que se establezca el equilibrio térmico. Ahora nos encontramos, pues, en una zona de resistencia negativa en la que disminuciones de tensión corresponden aumentos de intensidad. Un termistor PTC (Positive Temperature Coefficient) es una resistencia variable cuyo valor se ve aumentado a medida que aumenta la temperatura. Los termistores PTC se utilizan en una gran variedad de aplicaciones: limitación de corriente, sensor de temperatura, desmagnetización y para la protección contra el recalentamiento de equipos tales como motores eléctricos. También se utilizan en indicadores de nivel, para provocar retardos en circuitos, como termostatos, y como resistores de compensación. El termistor PTC pierde sus propiedades y puede comportarse eventualmente de una forma similar al termistor NTC si la temperatura llega a ser demasiado alta. Las aplicaciones de un termistor PTC están, por lo tanto, restringidas a un determinado margen de temperaturas. Hasta un determinado valor de voltaje, la característica I/V sigue la ley de Ohm, pero la resistencia aumenta cuando la corriente que pasa por el termistor PTC provoca un calentamiento y se alcanza la temperatura de conmutación. La característica I/V depende de la temperatura ambiente y del coeficiente de transferencia de calor con respecto a dicha temperatura ambiente. En ambos casos (PT100 y termistores), dado que se mide resistencia, se debe cuidar, en primer lugar, que la resistencia de los cables de conexión (que también cambia con la temperatura) no incida sobre la medición y, en segundo lugar, que la corriente que circule por el elemento para medir su resistencia sea lo suficientemente pequeña como para calentar sólo mínimamente el propio sensor. A ese fin se utilizan sistemas de compensación que incorporan cables idénticos pero sin el sensor, en el brazo adyacente de un puente de Wheaston, amén de circular una corriente nula por el sensor.

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PIRÓMETROS Cabe, naturalmente, preguntarse cómo medir la temperatura en equipos de proceso cuya temperatura exceda la de fusión del elemento sensor (por ejemplo, hornos de fundición de metales). En tal caso, se recurre a los pirómetros ópticos. Estos sensores se basan en la radiación de cuerpos negros y contienen en su interior un filamento que debe poder alcanzar la misma temperatura del cuerpo medido (al menos). Al dirigir el pirómetro al cuerpo caliente, se observa un filamento (frío) que destaca contra la radiación del objeto observado. El filamento recibe potencia y se calienta hasta que "desaparece" del campo visual. En ese momento la temperatura del filamento y del cuerpo radiante son la misma. Si se gradúa el control de potencia (una perilla) en los grados Kelvin del filamento a una u otra posición, se podrá leer la temperatura en esta escala. En el caso de pirómetros automáticos, la temperatura se conoce por el voltaje y corriente (es decir, potencia) que se aplica al filamento cuando las radiaciones son iguales. (en el caso de cuerpos que viajan a alta velocidad se debe corregir su efecto Doppler). Ventajas: •

Rangos de medición de temperaturas superiores al de cualquier otro instrumento.

•

No requieren conexión física con el medio

•

En el pirómetro óptico se compara el brillo de un filamento de una lámpara calibrada con el del objeto caliente.

•

En el pirómetro de radiación se mide la energía neta irradiada por el objeto

•

Poseen respuesta rápida y su exactitud es excelente.

Pueden utilizarse para: •

Medir temperaturas que están por encima de las que pueden medir las termocuplas o termoresistencias.

•

Medir temperaturas donde la atmósfera o las condiciones impidan el uso de otro método.

•

Medir temperaturas de objetos que se mueven.

•

Medir temperaturas de objetos que no son accesibles.

•

Medir temperaturas de objetos que serías dañados si se les conecta un elemento primario.

•

Medir temperaturas promedio de superficies muy grandes

Pirómetros de baja temperatura Gracias a los grandes avances en microelectrónica y en sensibilidad instrumental, se comercializan comúnmente termómetros sin contacto, basados también en la radiación infrarroja de los cuerpos según su temperatura. Este tipo de termómetros son muy útiles para medir la temperatura de sistemas en movimiento (por ejemplo un rodamiento) en los que no se podría instalar un termómetro que requiera equilibrio térmico.

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SENSORES DE NIVEL

En la industria, la medición de nivel es muy importante, tanto desde el punto de vista del funcionamiento del proceso como de la consideración del balance adecuado de materias primas o de productos finales. La utilización de instrumentos electrónicos con microprocesador en la medida de otras variables, tales como la presión y la temperatura, permite añadir “inteligencia” en la medida del nivel, y obtener precisiones de lectura altas, del orden del 0,2 %, en el intervalo de materias primas o finales o en transformación en los tanques del proceso. El transmisor de nivel “inteligente” hace posible la interpretación del nivel real (puede eliminar o compensar la influencia de la espuma en flotación del tanque, en la lectura), la eliminación de las falsas alarmas (tanques con olas en la superficie debido al agitador de paletas en movimiento), y la fácil calibración del aparato en cualquier punto de la línea de transmisión. El transmisor o varios transmisores pueden conectarse, a través de una conexión RS-232, a un ordenador personal, que con el software adecuado, es capaz de configurar transmisores inteligentes. Son muchas las maneras de medir nivel, desde las indicativas (sensor de cristal, de plomada) hasta las mas desarrolladas, pero en este curso veremos solo algunas de ellas, que tienen la capacidad de entregar una salida eléctrica, que nos permita ejercer un control sobre el sistema.

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Sensores de Nivel de Líquidos Los Sensores de nivel de líquidos trabajan midiendo, bien directamente la altura de líquido sobre una línea de referencia, bien la presión hidrostática, bien el desplazamiento producido en un flotador por el propio líquido contenido en el tanque del proceso, o bien aprovechando características eléctricas del líquido. Sensor de flotador; consiste en un flotador ubicado en el seno del líquido y conectado al exterior del estanque indicando directamente el nivel sobre una escala graduada. Es el modelo más antiguo y el más utilizado en estanques de gran capacidad tales como los de petróleo y gasolina. Tiene el inconveniente de que las partes móviles están expuestas al fluido y pueden romperse, además el flotador debe mantenerse limpio.

Hay que señalar que en estos instrumentos, el flotador puede tener formas muy variadas y estar formados por materiales muy diversos según sea el tipo de fluido. Los instrumentos de flotador tienen una precisión de 0,5 %. Son adecuados en la medida de niveles en estanques abiertos y cerrados a presión o a vacío, y son independientes del peso específico del líquido. Por otro lado, el flotador puede agarrotarse en el tubo guía por un eventual depósito de los sólidos o cristales que el líquido pueda contener y además los tubos guía muy largos pueden dañarse ante olas bruscas en la superficie del líquido o ante la caída violenta del líquido en el estanque. El Sensor de nivel conductivo o resistivo; consiste en uno o varios electrodos y un relé eléctrico o electrónico que es excitado cuando el líquido moja a dichos electrodos. El líquido debe ser lo suficientemente conductor como para excitar el circuito electrónico, y de este modo el aparato puede discriminar la separación entre el líquido y su vapor, tal como ocurre, por ejemplo, en el nivel de agua de una caldera de vapor. La impedancia mínima es del orden de los 20 MΩ/cm, y la tensión de alimentación es alterna para evitar fenómenos de oxidación en las sondas por causa del fenómeno de la electrólisis. Cuando el líquido moja los electrodos se cierra el circuito electrónico y circula una corriente segura del orden de los 2 mA; el relé electrónico dispone de un temporizador de retardo que impide su enclavamiento ante una ola del nivel del líquido o ante cualquier perturbación momentánea o bien en su lugar se disponen dos electrodos poco separados enclavados eléctricamente en el circuito. El instrumento se emplea como alarma o control de nivel alto y bajo, utiliza relés eléctricos para líquidos con buena conductividad y relés electrónicos para líquidos con baja conductividad. Montado en grupos verticales de 24 o más electrodos, puede complementar los típicos niveles de vidrio de las calderas, y se presta a la transmisión del nivel a la sala de control y a la adición de las alarmas correspondientes.

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Sensor de nivel capacitivo; mide la capacidad del condensador formado por el electrodo sumergido en el líquido y las paredes del estanque. La capacidad del conjunto depende linealmente del nivel del líquido. En fluidos no conductores se emplea un electrodo normal y la capacidad total del sistema se compone de la del líquido, la del gas superior y la de las conexiones superiores. En fluidos conductores el electrodo está aislado usualmente con teflón interviniendo las capacidades adicionales entre el material aislante y el electrodo en la zona del líquido y del gas. La precisión de los transductores de capacidad es de ± 1 %. Se caracterizan por no tener partes móviles, son ligeros, presentan una buena resistencia a la corrosión y son de fácil limpieza. Su campo de medida es prácticamente ilimitado. Tiene el inconveniente de que la temperatura puede afectar las constantes dieléctricas (0,1 % de aumento de la constante dieléctrica / °C) y de que los posibles contaminantes contenidos en el líquido puedan adherirse al electrodo variando su capacidad y falseando la lectura, en particular en el caso de líquidos conductores. Sensor de presión diferencial; consiste en un diafragma en contacto con el líquido del estanque, que mide la presión hidrostática en un punto del fondo del estanque. En un estanque abierto esta presión es proporcional a la altura del líquido en ese punto y a su peso específico, es decir:

P=hγg

en la que:

P = presión h = altura del líquido sobre el instrumento γ = densidad del líquido g = 9,8 m/s2 El diafragma forma parte de un transmisor neumático, electrónico o digital de presión diferencial.

En el tipo más utilizado, el diafragma está fijado en un flanje que se monta rasante al estanque para permitir sin dificultades la medida de nivel de fluidos, tales como pasta de papel y líquidos con sólidos en suspensión, pudiendo incluso ser de montaje saliente para que el diafragma enrase

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completamente con las paredes interiores del estanque tal como ocurre en el caso de líquidos extremadamente viscosos en que no puede admitirse ningún recodo.

4-20mA

4-20mA

LT

LT

Tanque Abierto

Tanque Cerrado

La precisión de los instrumentos de presión diferencial es de ± 0,5 % en los neumáticos, ± 0,2 % a ± 0,3 % en los electrónicos, y de ± 0,15 % en los “inteligentes” con señales de salida de 4-20 mA CC. Hay que señalar que el material del diafragma debe ser el adecuado para resistir la corrosión del fluido (existen materiales de acero inoxidable 316, monel, tantalio, hastelloy B, inoxidable recubierto de teflón). Sensor de nivel ultrasónico; se basa en la emisión de un impulso ultrasónico a una superficie reflectante y la recepción del eco del mismo en un receptor. El retardo en la captación del eco depende del nivel del estanque. Los sensores trabajan a una frecuencia de unos 20 KHz. Estas ondas atraviesan con cierto amortiguamiento o reflexión el medio ambiente de gases o vapores y se reflejan en la superficie del sólido o del líquido. La precisión de estos instrumentos es de ± 1 a 3 %. Son adecuados para todos los tipos de estanques y de líquidos o fangos pudiendo construirse a prueba de explosión. Presentan el inconveniente de ser sensibles a la densidad de los fluidos y de dar señales erróneas cuando la superficie del nivel del líquido no es nítida como es el caso de un líquido que forme espuma, ya que se producen falsos ecos de los ultrasonidos. La utilización de la computadora permite, a través de un programa, almacenar el perfil ultrasónico del nivel, y así tener en cuenta las características particulares de la superficie del líquido, tal como la espuma, con lo cual se mejora la precisión de la medida.

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SENSORES DE PRESIÓN Junto con la temperatura, la presión es la variable más comúnmente medida en plantas de proceso. Su persistencia se debe, entre otras razones, a que la presión puede reflejar la fuerza motriz para la reacción o transferencia de fase de gases; la fuerza motriz para el transporte de gases o líquidos; la cantidad másica de un gas en un volumen determinado; etc. Es también común medir la presión en una línea para cuantificar caudal, cuando se conoce la pérdida de carga; o pérdida de carga cuando se conoce el caudal. La presión queda determinada por la razón de una fuerza al área sobre la que actúa la fuerza. Así, si una fuerza F actúa sobre una superficie A, la presión P queda estrictamente definida por la razón P=F/A. Dado que tanto la fuerza como el área son de naturaleza vectorial, la presión es una magnitud escalar (es decir, sólo tiene magnitud, no dirección).

Presión

Manómetro de tubo en forma de "U" Los instrumentos utilizados para medir presión reciben la denominación: "manómetros". La forma más tradicional de medir presión en forma precisa utiliza un tubo de vidrio en forma de "U", donde se deposita una cantidad de líquido de densidad conocida (para presiones altas, se utiliza habitualmente mercurio para que el tubo tenga dimensiones razonables; sin embargo, para presiones pequeñas el manómetro en U de mercurio sería poco sensible). Este tipo de manómetros tiene una ganancia que expresa la diferencia de presión entre los dos extremos del tubo mediante una medición de diferencia de altura (es decir, una longitud).

Líquido

La ganancia se puede obtener analíticamente, de modo que este tipo de manómetros conforma un estándar de medición de presión. Si el gas sobre el líquido en ambos extremos del manómetro fuese de densidad despreciable frente a la del líquido, si el diámetro del tubo es idéntico en ambas ramas, si la presión en los extremos fuesen P1 y P2, si el líquido (a la temperatura de operación) tuviese densidad r , si la diferencia de altura fuese h, entonces la diferencia de presiones estará dada por P2P1=D P=r gh. ¿Cuál será la ecuación si la densidad del fluido superior no fuese despreciable? No es difícil obtener expresiones para este tipo de manómetros en condiciones de operación en las que sobre el líquido de alta densidad está otro líquido, de densidad no despreciable. El manómetro en forma de "U" conforma, según se especificó, un sistema de medición más bien absoluto y no depende, por lo tanto, de calibración. Esta ventaja lo hace un artefacto muy común. Su desventaja principal es la longitud de tubos necesarios para una medición de presiones altas y, desde el punto de vista de la instrumentación de procesos, no es trivial transformarlo en un sistema de transmisión remota de información sobre presión. Manómetro de Bourdon Para cualquier tipo de carga, la relación entre la carga y la deformación es una constante del material, conocida como el módulo de Young: E=Carga/e . Por ende, si la constante de deformación es conocida, se puede obtener la carga según: Carga = E*e

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De modo que frente a deformaciones pequeñas de materiales elásticos, será posible obtener una cuantificación reproducible de las cargas (fuerzas) solicitantes. El manómetro de Bourdon depende, precisamente, de la elasticidad de los materiales utilizados en su construcción. Este manómetro, tal vez el más común en plantas de procesos que requieran medición de presiones, consiste de un tubo metálico achatado y curvado en forma de "C", abierto sólo en un extremo (ver figura). Al aplicar una presión al interior del tubo (se le infla, por ejemplo) la fuerza generada en la superficie (área) exterior de la "C" es mayor que la fuerza generada en la superficie interior, de modo que se genera una fuerza neta que deforma la "C" hacia una "C" más abierta. Esta deformación es una medición de la presión aplicada y puede trasladarse a una aguja indicadora tanto como a un sistema de variación de resistencia o campos eléctricos o magnéticos. Galgas de extensión (strain gauges) Según se observó, las propiedades de elasticidad de los materiales pueden dar origen a sistemas de medición de fuerzas (y, por ende, también presión).

El manómetro de Bourdon utiliza, precisamente, la propiedad de elasticidad de los materiales sólidos (en particular, metálicos sólidos); pero, ese manómetro no permite producir una señal eléctrica directamente, si bien se podría adaptar algún sistema. El método de construcción de sensores de presión modernos depende del principio de elasticidad pero la deformación es convertida en una señal eléctrica mediante las galgas de extensión, conocidas a menudo como "celdas de torsión" o, en ingles, como strain gauges. Una galga de extensión se construye sobre un metal de coeficiente de elasticidad dado, adosándole un alambre, una tira semiconductora o pistas conductoras. Al deformarse el soporte de la galga, se "estira" o se "comprime" el sensor, variando así su

Conexión Eléctrica Filtro Protección electromagnética Acondicionamiento De Señal Generadores de Vacío de referencia (3) Galgas Extensiométricas Aislante de presión Toma de presión

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resistencia. El cambio de resistencia será, precisamente, el reflejo de la deformación sufrida. En términos de su caracterización, dada la resistencia R sin deformación, la aplicación de una fuerza F deformante producirá un cambio de resistencia, D R, cuya medición permite calcular la fuerza mediante:

donde se ha definido una constante "G", conocido como la constante de la galga y que suele variar entre 2 y 2,2 para galgas de soporte metálico. Naturalmente, la posibilidad de medir fuerza permite construir, con estas galgas, balanzas electrónicas tanto como sistemas de medición de presión. Habitualmente se utilizan circuitos en puentes, diseñados para los valores típicos de estas galgas (resistencias nominales de 120W , 350W , 600W y 1000W ) utilizando corrientes que no excedan los 10 mA. Transmisores capacitivos Los transmisores capacitivos emplean diafragmas de aislamiento. Estos diafragmas transmiten la presión externa a través de un fluido de siliconas, a las placas del capacitor. Solo se mueve una placa central del capacitor, para generar la señal de salida. La celda capacitiva usa solo una pequeña cantidad de fluido de siliconas. Esto se traduce en una excelente estabilidad con la temperatura, dado que no hay una gran cantidad de fluido que se pueda expandir a medida que aumenta la temperatura. Sensor de Presión Diferencial Los sistemas discutidos antes, para medición de Presión (Bourdon, Tubos en "U" de líquidos de alta densidad, Galgas de torsión [strain gauges], etc.) miden, en general, la presión relativa a la presión atmosférica (si bien tanto P1 como P2 en el manómetro en "U" podrían ser parte de un proceso). A menudo es necesario conocer la presión relativa entre dos puntos; tales sistemas se conocen como sensores (o manómetros) de presión diferencial. La figura describe un sensor de presión diferencial, basado en una galga de extensión. Las señales de presión, P1 y PR, se entregan a dos diafragmas aislantes, que impiden que el fluido ingrese a la cámara sensible. La presión es transmitida a la sección sensible (la galga propiamente tal) mediante capilares, que están llenos de un fluido adecuado (usualmente aceite de silicona). Existen dos cámaras separadas por la galga en el centro, conocida como el diafragma sensor, cuyo único requisito es que impida el paso del fluido interno de un lado hacia el otro.

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SENSORES DE CAUDAL La selección eficaz de un Sensor de caudal exige un conocimiento práctico de la tecnología del Sensor, además de un profundo conocimiento del proceso y del fluido que se quiere medir. Cuando la medida del caudal se utiliza con el propósito de facturar un consumo, deberá ser lo más precisa posible, teniendo en cuenta el valor económico del fluido que pasa a través del Sensor, y la legislación obligatoria aplicable en cada caso. En este estudio se examinan los conceptos básicos de la medida de caudal y las características de los instrumentos de medida. Aunque se hace referencia a diferentes tipos de Sensores de caudal, es obvio que no todos están contemplados en este estudio, dada la amplia variedad de los mismos. Sensores de presión diferencial La medida de caudal en conducciones cerradas, consiste en la determinación de la cantidad de masa o volumen que circula por la conducción por unidad de tiempo. Los instrumentos que llevan a cabo la medida de un caudal se denominan, habitualmente, caudalímetros o Sensores de caudal, constituyendo una modalidad particular los contadores, los cuales integran dispositivos adecuados para medir y justificar el volumen que ha circulado por la conducción. Los Sensores de caudal volumétrico pueden determinar el caudal de volumen de fluido de dos formas: directamente, mediante dispositivos de desplazamiento positivo, o indirectamente, mediante dispositivos de: presión diferencial, área variable, velocidad, fuerza, etc. Puesto que la medida de caudal volumétrico en la industria se realiza, generalmente, con instrumentos que dan lugar a una presión diferencial al paso del fluido, abordaremos en primer lugar los Sensores de presión diferencial. Esta clase de Sensores presenta una reducción de la sección de paso del fluido, dando lugar a que el fluido aumente su velocidad, lo que origina un aumento de su energía cinética y, por consiguiente, su presión tiende a disminuir en una proporción equivalente, de acuerdo con el principio de la conservación de la energía, creando una diferencia de presión estática entre las secciones aguas arriba y aguas abajo del Sensor. Principales Sensores de presión diferencial Entre los principales tipos de Sensores de presión diferencial se pueden destacar los siguientes: •

placas de orificio,

•

toberas,

•

tubos Venturi,

•

tubos Pitot,

•

tubos Annubar,

•

codos,

Sensores de placa. Se estima que, actualmente, al menos un 75% de los Sensores industriales en uso son dispositivos de presión diferencial, siendo el más popular la placa de orificio. Las principales ventajas de dichos Sensores son: • su sencillez de construcción, no incluyendo partes móviles, • su funcionamiento se comprende con facilidad,

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• no son caros, particularmente si se instalan en grandes tuberías y se comparan con otros Sensores, • pueden utilizarse para la mayoría de los fluidos, y • hay abundantes publicaciones sobre sus diferentes usos. Sus principales desventajas son: • la amplitud del campo de medida es menor que para la mayoría de los otros tipos de Sensores, – pueden producir pérdidas de carga significativas, • la señal de salida no es lineal con el caudal, • deben respetarse unos tramos rectos de tubería aguas arriba y aguas abajo del Sensor que, según el trazado de la tubería y los accesorios existentes, pueden ser grandes, • pueden producirse efectos de envejecimiento, es decir, acumulación de depósitos o la erosión de las aristas vivas, • la precisión suele ser menor que la de Sensores más modernos, especialmente si, como es habitual, el Sensor se entrega sin calibrar. La placa de orificio consiste en una placa perforada que se instala en la tubería. El orificio de la placa, puede ser: concéntrico, excéntrico y segmental. Con el fin de evitar arrastres de sólidos o gases que pueda llevar el fluido, la placa incorpora, normalmente, un pequeño orificio de purga. Para captar la presión diferencial que origina la placa de orificio, es necesario conectar dos tomas, una en la parte anterior y otra en la parte posterior de la placa. Toberas La tobera presenta una entrada curvada que se prolonga en un cuello cilíndrico, siendo el coeficiente de descarga similar al del tubo Venturi. Sin embargo, la caída de presión es del mismo orden que en la placa de orificio, para el mismo caudal y con el mismo tamaño de tubería. Tubos Venturi En la figura se muestra el perfil de un tubo Venturi clásico, donde se puede apreciar la disposición de las tomas de presión para determinar la presión diferencial. Como se aprecia en la figura se pueden destacar tres partes fundamentales: a) una sección de entrada cónica convergente en la que la sección transversal disminuye, lo que se traduce en un aumento de la velocidad del fluido y una disminución de la presión; b) una sección cilíndrica en la que se sitúa la toma de baja presión, y donde la velocidad del fluido se mantiene prácticamente constante, y c) una tercera sección de salida cónica divergente en la que la sección transversal aumenta, disminuyendo la velocidad y aumentando la presión. La incorporación de esta sección de salida

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permite una recuperación de la mayor parte de la presión diferencial producida y, por tanto, un ahorro de energía. Con el fin de reducir las pérdidas de carga causadas por una tobera, puede acoplarse a continuación de la tobera una sección divergente similar a la utilizada para un tubo Venturi, resultando una combinación que se denomina Venturi-tobera. Las principales limitaciones de los tubos Venturi son su elevado coste y la longitud necesaria para su instalación, sobre todo para grandes tamaños de tubería. Sin embargo, debido a su baja pérdida de carga, son justificados en casos donde tienen que bombearse grandes cantidades de líquido de forma continua. Cuando la pérdida de carga no es importante, suele prescindirse del tubo Venturi y sustituirse por una placa de orificio debido a su menor coste y mayor facilidad de instalación y mantenimiento. Sensores de desplazamiento positivo Los Sensores de desplazamiento positivo miden la cantidad de fluido que circula por un conducto, dividiendo el flujo en volúmenes separados y sumando los volúmenes que pasan a través del Sensor.

En cada Sensor, se pueden destacar tres componentes comunes: • cámara, que se encuentra llena de fluido, • desplazador, que, bajo la acción del fluido circulando, transfiere el fluido desde el final de una cámara a la siguiente, y • mecanismo (indicador o registrador), conectado al desplazador, que cuenta el número de veces que el desplazador se mueve de una parte a otra en la cámara de trabajo. Un problema importante que se debe tener en cuenta al fabricar un Sensor de desplazamiento positivo es conseguir una buena estanqueidad de las partes móviles, evitando un par de rozamiento inaceptable y que la cantidad de líquido de escape a través del Sensor sea moderada. Por esta razón, es necesario calibrar el Sensor de desplazamiento a varios caudales, dentro del margen de utilización, con un fluido de viscosidad conocida. En principio, los Sensores de desplazamiento positivo para gases deberían ser similares a los utilizados para líquidos, sin embargo, en la práctica hay una diferencia importante. La energía de un fluido en movimiento es proporcional a su densidad, lo que significa que un gas no puede suministrar con facilidad la energía suficiente para hacer funcionar un Sensor con una mecánica compleja. Por consiguiente, los Sensores de desplazamiento positivo para gases tienen que tener una baja

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resistencia a la fricción. No obstante, en este estudio solo trataremos de los Sensores de desplazamiento positivo para líquidos. Dentro de los diferentes tipos de Sensores para líquidos existen los siguientes: • Sensores de tipo pistón, • Sensores de paletas deslizantes, y • Sensores de engranajes. Los Sensores de tipo pistón se utilizan, habitualmente, para medidas precisas de pequeños caudales, siendo una de sus aplicaciones en unidades de bombeo de distribución de petróleo. Los Sensores de paletas deslizantes se usan para medir líquidos de elevado coste, siendo instalados, generalmente, en camiones cisternas para la distribución de combustible para la calefacción. Los Sensores de engranajes encuentran aplicaciones para un amplio margen de líquidos y condiciones de funcionamiento, aunque la precisión de la medida no es tan elevada. Sensores de rueda oval El Sensor de rueda oval dispone de dos ruedas ovales que engranan entre sí y tienen un movimiento de giro debido a la presión diferencial creada por el flujo de líquido. La acción del líquido actúa de forma alternativa sobre cada una de las ruedas, dando lugar a un giro suave de un par prácticamente constante. Tanto la cámara de medida como las ruedas están mecanizadas con gran precisión, con el fin de conseguir que el deslizamiento entre ellas se produzca con el mínimo rozamiento, sin que se formen bolsas o espacios muertos y desplazando la misma cantidad de líquido en cada rotación.

La principal ventaja de estos Sensores es que la medida realizada es prácticamente independiente de variaciones en la densidad y en la viscosidad del líquido. Sensores de turbina Los Sensores para gas y para líquido funcionan bajo el mismo principio. Consta de una longitud de tubería en el centro de la cual hay un rotor de paletas múltiple, montado sobre cojinetes, para que pueda girar con facilidad, y soportado aguas arriba y aguas abajo por un dispositivo de centrado tipo cruceta que, habitualmente, incorpora un enderezador de la vena fluida. La energía cinética del fluido circulando hace girar el rotor con una velocidad angular que, en el margen lineal del Sensor, es proporcional a la velocidad media axial del fluido y, por tanto, al caudal volumétrico.

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Los Sensores de turbina para gas o líquido difieren fundamentalmente en el diseño del rotor. Una salida mediante impulsos eléctricos se produce cuando se detecta el paso de cada paleta alrededor de uno o más sensores situados en el campo del Sensor. El punto más débil en un Sensor de turbina para líquidos son los cojinetes, ya que tienen que soportar el peso del rotor. Sensores de caudal electromagnéticos El Sensor de caudal electromagnético utiliza el mismo principio básico que el electrogenerador, es decir, cuando un conductor se mueve a través de un campo magnético se genera una fuerza electromotriz en el conductor, siendo su magnitud directamente proporcional a la velocidad media del conductor en movimiento. Si el conductor es una sección de un líquido conductor circulando por un tubo aislado eléctricamente, a través de un campo magnético y se montan los electrodos diametralmente opuestos en la pared de la tubería la fuerza electromotriz generada a través de los electrodos es directamente proporcional a la velocidad media del fluido. Es importante señalar que la diferencia de potencial entre los electrodos es del orden de milivoltios, por lo que dicha señal tiene que ser amplificada mediante un dispositivo secundario denominado convertidor, que proporciona una señal de salida en miliamperios, en voltios o en impulsos. Puesto que los electrodos tienen que hacer un contacto con el fluido, su material tiene que ser compatible con las propiedades químicas del fluido que circula. Entre los materiales más utilizados se pueden citar los siguientes: acero inoxidable no magnético, platino/iridio, monel hasteloy, titanio, y circonio para líquidos particularmente agresivos. Entre las ventajas más fundamentales se pueden señalar las siguientes: • No presentan obstrucciones al flujo, por lo que son adecuados para la medida de todo tipo de suspensiones, barros, melazas, etc. • No dan lugar a pérdidas de carga, por lo que son adecuados para su instalación en grandes tuberías de suministro de agua, donde es esencial que la pérdida de carga sea pequeña. • Se fabrican en una gama de tamaños superior a la de cualquier otro tipo de Sensor. • No son prácticamente afectados por variaciones en la densidad, viscosidad, presión temperatura y, dentro de ciertos límites, conductividad eléctrica. • No son seriamente afectados por perturbaciones del flujo aguas arriba del Sensor.

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• La señal de salida es, habitualmente, lineal. • Pueden utilizarse para la medida del caudal en cualquiera de las dos direcciones. Entre las desventajas se pueden destacar las siguientes: • El líquido cuyo caudal se mide tiene que tener una razonable conductividad eléctrica. • La energía disipada por las bobinas da lugar al calentamiento local del tubo del Sensor. Sensores ultrasónicos Dos tipos de Sensores ultrasónicos son utilizados, fundamentalmente, para la medida de caudal en circuitos cerrados. El primero (tiempo de tránsito o de propagación) utiliza la transmisión por impulsos, mientras que el segundo (efecto Doppler) usa la transmisión continua de ondas.

Sensores ultrasónicos por impulsos Los Sensores ultrasónicos modulados por impulsos son los más precisos y se utilizan, preferentemente, con líquidos limpios, aunque algunos tipos permiten medidas de líquidos con cierto contenido de partículas y gas. El método diferencial de medida por tiempo de tránsito, se basa en un sencillo hecho físico. Si imaginamos dos canoas atravesando un río sobre una misma línea diagonal, una en el sentido del flujo y la otra en contra del flujo, la canoa que se desplaza en el sentido del flujo necesitará menos tiempo en alcanzar su objetivo.

Las ondas ultrasonoras se comportan exactamente de la misma forma Las ecuaciones básicas son las mismas para ambos métodos de diferencia de frecuencia y tiempo de propagación. Como se muestra en la figura un impulso ultrasónico se emite diagonalmente a través de la tubería.

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capítulo c Adquisición de Acquisitincd~c datos: detección Presentación: Présentn : • Funciones ction y tecnologías en detección • Tableau Tabla dedeselección choix

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6 - Adquisición de datos: detección

A Fig. 1

6.1

Funciones de los sensores

El campo de la adquisición de datos se divide en dos familias. La primera, conocida como detección, comprendre los productos que pueden detectar un umbral o límite, o estimar una magnitud física.La segunda – medición o instrumentación – mide una magnitud física con un determinado nivel de precisión. En esta sección, sólo describiremos los sensores y dispositivos de detección para máquinas y sus sistemas de automatización. Los sensores diseñados para la seguridad en máquinas se tratarán en otro capítulo. Si usted está interesado, existe una densa bibliografia sobre seguridad en máquinas que describe todos los dispositivos disponibles en el mercado. Estos productos tienen tres funciones fundamentales como se ve en la figura 1. La diversidad de estas funciones obliga a los fabricantes a producir un gran número de variantes de producto para cubrir todas las necesidades. Recientes avances en la modulación del producto permiten a Schneider Electric ofrecer rangos más reducidos con aplicaciones más versátiles.

Introducción b La detección: una función esencial La función de "detección" es esencial dado que es el primer eslabón de la cadena de transmisión de datos (C Fig. 2) de un proceso industrial. En un sistema de automatización, los detectores aseguran la captura de datos: - en todas las etapas necesarias para el funcionamiento que se utilizan por parte de los sistemas de control de acuerdo con un programa preestablecido; - en el desarrollo del proceso cuando el programa está ejecutándose.

b Funciones de la detección A Fig. 2

Cadena de transmisión de datos

Hay un amplio rango de necesidades de detección. Las básicas son: - controlar la presencia, ausencia o posición de un objeto, - chequear el movimiento, flujo u obstrucción de objetos, - contaje. Para ello se utilizan dispositivos "todo o nada", es el caso de las aplicaciones típicas de detección de piezas en cadenas de montaje o en manutención, así como de la detección de personas o vehículos. Hay otras necesidades más específicas como la detección de: - presencia (o nivel) de un gas o fluído, - formas, - posición (angular, lineal, etc.), - etiquetas, con la lectura y escritura de datos codificados. Hay otros requerimientos adicionales, especialmente en lo que refiere al ambiente de trabajo, donde, dependiendo de la situación, los detectores deben ser capaces de resistir: - humedad o inmersión, - corrosión (es el caso de industrias químicas e instalaciones de agricultura), - grandes variaciones de temperatura (como en regiones tropicales), - polvo (en el aire ambiente o en las máquinas), - e incluso vandalismo, etc. Para cumplir estos requerimientos, los fabricantes han desarrollado todo tipo de detectores usando diferentes tecnologías.

b Tecnologías de detección Los fabricantes de detectores utilizan diferentes magnitudes físicas, siendo las más usuales: - mecánicas (presión, fuerza) para interruptores electromecánicos de posición, - electromagnéticas (campo, fuerza) para sensores magnéticos, detectores de proximidad inductivos,

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6 - Adquisición de datos: detección -

de luz (potencia lumínica o desviación) para células fotoeléctricas, de capacidad para detectores de proximidad capacitivos, acústicas (tiempo de recorrido de una onda) para detectores por ultrasonidos, de fluído (presión) para presostatos, ópticas (análisis de imagen) para la visión.

Estos sistemas tienen ventajas y límites para cada tipo de sensor: algunos son robustos pero necesitan estar en contacto con la pieza a detectar, mientras que otros trabajan en ambientes hostiles pero únicamente con piezas metálicas. La descripción de las tecnologías usadas, que se presenta a continuación, está pensada para ayudar a comprender que se debe de hacer para instalar y utilizar los sensores disponibles en el mercado de los sistemas de automatización y del equipamiento industrial.

b Funciones auxiliares de la detección Existen algunas funciones desarrolladas para para facilitar el uso de los detectores, uno de los cuales es el autoaprendizaje. Esta función de aprendizaje puede implicar un botón que se presiona para definir el dominio de detección del dispositivo, como es el caso de unos rangos máximos y mínimos (precisión de ± 6mm para detectores por ultrasonidos) y de factores ambientales para detectores fotoeléctricos.

6.2

Interruptores electromecánicos de posición La detección se realiza a través del contacto físico (palpador u órgano de control) con un objeto móvil o inmóvil. Los datos se envian al sistema de procesado a través de un contacto eléctrico (todo o nada).

6

Estos dispositivos (órgano de control y contacto eléctrico) son conocidos como interruptores de posición. Se encuentran en todas las instalaciones automatizadas y en diferentes aplicaciones debido a las numerosas ventajas de su tecnología.

b Movimientos del detector El palpador puede tener diferentes tipos de movimiento (C Fig. 3), por lo que es capaz de detectar múltiples posiciones y adaptarse a los objetos a detectar de una manera fácil: - movimiento rectilíneo, - movimiento angular, - movimiento multidireccional. A Fig. 3

Movimientos posibles en los sensores más utilizados

b Modos de funcionamiento de los contactos La oferta de los fabricantes se diferencia por la tecnología de funcionamiento del contacto usado.

v Contacto de ruptura brusca Se caracteriza por un fenómeno de histéresis, esto es, los puntos de accionamiento y de desaccionamiento son diferentes (C Fig. 4). La velocidad de desplazamiento de los contactos móviles es independiente a la velocidad del elemento de mando. Esta particularidad permite obtener rendimientos eléctricos satisfactorios aún en el caso de bajas velocidades de desplazamiento. Cada vez más los interruptores de posición con contacto de ruptura brusca tienen apertura positiva; esto envuelve la apertura del contacto y se define como sigue: "Un dispositivo cumple este requerimiento cuando se pueden llevar con certeza todos los elementos de sus contactos de apertura a su posición de apertura, esto es, sin ningún tipo de enlace elástico entre partes móviles y dispositivos de control sujeto al esfuerzo del funcionamiento." Todos los interruptores de posición de Telemecanique, ya sean con contactos de ruptura brusca o lenta, son de apertura positiva, de acuerdo con IEC 947-5-1. A Fig. 4

Contacto de ruptura brusca

El uso en aplicaciones de seguridad requiere dispositivos de apertura positiva.

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6 - Adquisición de datos: detección v Contacto de ruptura lenta (C Fig.5) Este modo de funcionamiento se caracteriza por: - puntos de accionamiento y de desaccionamiento no diferenciados, - velocidad de desplazamiento de los contactos móviles igual o proporcional a la velocidad del elemento de mando (que no debe ser inferior a 0,001 m/s). Por debajo de este valor, los contactos se abren demasiado lentamente, cosa que no es buena dado que existirá riesgo de arco eléctrico de larga duración, - distancia de apertura dependiente de la carrera del elemento de mando. El diseño de estos contactos es por naturaleza en modo de apertura positiva: el pulsador actúa directamente sobre los contactos móviles. A Fig. 5

6.3

Contacto de ruptura lenta

Detectores de proximidad inductivos El principio físico de estos detectores se basa en el hecho de que sólo funcionan en sustancias metálicas.

b Principio de funcionamiento El componente sensible es un circuito inductivo (inductancia L). Este circuito está conectado a una capacitancia C para formar un circuito de resonancia a una frecuencia Fo usualmente comprendida entre 100kHz y 1MHz. Un circuito electrónico mantiene las oscilaciones del sistema basándose en la siguiente fórmula:

Estas oscilaciones crean un campo magnético alternativo en frente de la bobina. Una armadura metálica situada dentro del campo permite crear corrientes de Foucault que inducen una carga extra y alteran la oscilación (C Fig.6). La presencia de un objeto metálico en frente del detector disminuye el factor de calidad del circuito de resonancia. Caso 1, sin armadura: Recordatorio:

Caso 2, con armadura:

La detección se realiza a través de la medida de la variación del factor de calidad (del 3% al 20% del umbral de detección). La aproximación de la armadura metálica provoca que el factor de calidad se reduca y, de ese modo, se reduzca también la amplitud de oscilación. A Fig. 6

134

Principio de funcionamiento de un detector inductivo

La distancia de detección depende del metal a detectar.

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6 - Adquisición de datos: detección b Descripción de un detector inductivo (C Fig.7) Transductor: consta de una bobina de cobre de varios hilos (tipo Litz) dentro de un recipiente ferrítico que dirige las líneas de campo hacia la parte frontal del detector. Oscilador: existen varios tipos de osciladores, incluyendo el de "resistencia negativa" fija –R, igual en valor absoluto a la resistencia paralelo Rp del circuito oscilando dentro del alcance: - si el objeto a detectar está más allá del alcance nominal, Rp > -R , la oscilación se mantiene, - si el objeto a detectar está dentro del alcance nominal, Rp < -R , la oscilación no se mantiene y el oscilador se bloquea.

l l l l l l l l

A Fig. 7

Esquema de un detector inductivo

Fase de dar forma: consiste en un detector de pico monitorizado por un comparador con dos umbrales (trigger) para prevenir conmutaciones repentinas cuando el objeto a detectar se acerca al rango de alcance. Crea lo que se conoce como histéresis del detector (C Fig.7bis). Fases de entrada y salidia de potencia: alimenta el detector con un amplio rango de tensiones (de 10V CC a 264 V CA). La tensión de salida controla cargas de 0,2A CC a 0,5A CA, con o sin protección contra cortocircuitos.

b Factores que afectan a los dispositivos de detección inductiva Los dispositivos de detección inductiva pueden ser afectados por determinados factores, incluyendo: - la distancia de detección (hay que tener en cuenta que esta distancia depende de la extensión de la superficie de detección), - el alcance nominal (en acero templado) varia de 0,8mm (detector ø 4) a 60mm (detector 80 x 80); el alcance nominal se designa con Sn, - la histéresis, que es la carrera diferencial (del 2% al 10% del valor de Sn), para prevenir rebotes en la conmutación, - la frecuencia con la que los objetos pasan por delante del detector, conocida como conmutación (límite máximo de aproximadamente 5kHz).

6

b Funciones especiales • Detectores protegidos contra los campos magnéticos generados por máquinas de soldadura. A Fig. 7bis

Histéresis del detector

• Detectores con salida analógica. • Detectores con un factor de corrección de 1* donde la distancia de detección es independiente del metal detectado (férrico o no-férrico). • Detectores para seleccionar metales férricos y no-férricos. • Detectores para controlar la rotación: estos detectores son sensibles a la frecuencia de paso de objetos metálicos. • Detectores para atmósferas explosivas (normas NAMUR). *Cuando el objeto a detectar no es de acero, la distancia de detección del detector (D) debería ser proporcional al factor de corrección del material de la que el objeto está hecho. DMaterial X = DAcero x KMaterial X Los típicos valores de los factores de corrección (KMaterial X) son: - Acero = 1 - Acero inoxidable = 0,7 - Latón = 0,4 - Aluminio = 0,3 - Cobre = 0,2 Ejemplo: DAcero inoxidable = DAcero x 0,7

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6 - Adquisición de datos: detección 6.4

Detectores de proximidad capacitivos Esta tecnología se emplea para detectar todo tipo de sustancias conductoras y aislantes como vidrio, aceite, madera, plástico, etc.

b Principio de funcionamiento En este caso, la superficie sensible del detector constituye la armadura de un condensador. A esta superfície se le aplica una tensión senoidal para crear un campo eléctrico alternativo en frente del detector. Dado que esta tensión se referencia con relación a un potencial de referencia (como es el caso de la tierra), se constituye una segunda armadura con un electrodo conectado al potencial de referencia. Los electrodos, uno enfrente del otro, constituyen un condensador de capacidad: A Fig. 8

Sin objeto entre electrodos

Donde ε0 = 8,854187.10-12 F/m persmisividad del vacío y εr permisividad relativa de la sustancia entre los dos electrodos. Caso 1: Sin objeto entre electrodos (C Fig.8)

Caso 2: Presencia de un objeto aislante entre electrodos (C Fig.9) => (εr = 4) En este caso, el electrodo de tierra puede ser, por ejemplo, la cinta metálica de una cinta transportadora. A Fig. 9

Presencia de un objeto aislante entre electrodos

Cuando εr excede de 1 en presencia de un objeto, C se incrementa. La medida del incremento del valor de C se usa para detectar la presencia de un objeto aislante. Caso 3: Presencia de un objeto conductor entre electrodos (C Fig.10)

Con εr =1 (air) => La presencia de un objeto metálico también provoca el aumento del valor de C.

b Tipos de detector capacitivo v Detectores capacitivos sin conexión a tierra A Fig. 10

Presencia de un objeto conductor entre electrodos

Estos detectores funcionan de acuerdo con el principio descrito antes. Una conexión a tierra (potencial de referencia) se requiere para la detección. Se utilizan para detectar sustancias conductoras (metal, agua) a grandes distancias. Aplicación típica: detección de sustancias conductoras a través de una sustancia aislante (C Fig.11).

A Fig. 11

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Detección de agua en un recipiente de vidrio o de plástico

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6 - Adquisición de datos: detección v Detectores capacitivos con conexión a tierra No siempre es posible encontrar una conexión a tierra. Esto es así cuando el recipiente aislante descrito en la última figura tiene que ser detectado. La solución pasa por la incorporación de una conexión a tierra en la superfície de detección. Ello crea un campo eléctrico independiente de la conexión a tierra (C Fig.12). Aplicación típica: detección de todas las sustancias. Estos dispositivos detectan sustancias aislantes o conductoras detrás de una barrera aislante, como es el caso de cereales en una caja de cartón.

b Factores que afectan a los dispositivos de detección capacitiva

A Fig. 12

Principio de un detector capacitivo con conexión a tierra

εr

Sustancia Acetona

19.5 1.000264

Aire

15-25

Amoníaco Etanol

24

Harina

2.5-3

Vidrio

3.7-10

Glicerina

v Distancia de detección Esto está relacionado con la constante dieléctrica o la permisividad relativa de la sustancia de la que está formado el objeto. Para detectar una amplia variedad de sustancias, los sensores capacitivos suelen tener un potenciómetro para ajustar su sensibilidad.

v Sustancia En la tabla (C Fig.13) se muestran los valores de las constantes dieléctricas de diferentes sustancias.

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Mica

5.7-6.7

Papel

1.6-2.6

Nylon

4-5

Petróleo

2-2.2

Barniz de silicona Polipropileno

2.8-3.3 2-2.2 5-7

Porcelana Leche en polvo Sal

3.5-4 6

Azúcar

3

Agua

80

Madera seca

2-6

Madera verde

10-30

A Fig. 13

La sensibilidad de los detectores capacitivos, de acuerdo con la ecuación antes descrita, depende de la distancia del objeto al sensor y de la sustancia que conforma el objeto.

Constantes dieléctricas de diferentes sustancias

137

6

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6 - Adquisición de datos: detección 6.5

Detectores fotoeléctricos Los detectores fotoeléctricos funcionan bajo un principio que los hace aptos para la detección de cualquier tipo de objeto: opaco, transparente, reflectante, etc. Són además utilizados para la detección de personas (apertura de puertas, etc.).

b Principio de funcionamiento (C Fig.14) Un diodo electroluminiscente (LED) emite pulsaciones luminosas, normalmente en el espectro infrarrojo (de 850 a 950nm). A Fig. 14

Esquema de un detector fotoeléctrico

La luz la recibe (o no) un fotodiodo o un fototransistor dependiendo de si el objeto a detectar está presente (o ausente). La corriente fotoeléctrica creada se amplifica y se compra con un umbral de referencia para dar una información "todo o nada".

b Tipos de detector fotoeléctrico v De barrera (C Fig.14bis) El emisor y el receptor se sitúan en dos aparatos separados. A Fig. 14bis

Detector fotoeléctrico de barrera

El emisor, que consta de un LED y de una lente convergente, crea un haz de luz paralelo. El receptor, que consta de un fotodiodo (o fototransmisor) y de una lente convergente, proporciona una corriente proporcional a la energía recibida. El sistema envia una información "todo o nada" en función de la presencia o ausencia de un objeto en el haz de luz. Ventaja: la distancia de detección puede ser considerable (hasta 50m o más); ello depende de las lentes y, por lo tanto, de las dimensiones del detector. Inconveniente: se requieren dos aparatos separados, lo que implica también dos alimentaciones diferenciadas. La alineación para distancias superiores a 10m puede ser problemática.

v Réflex A Fig. 15

Detector fotoeléctrico réflex estándar

Existen dos sistemas Réflex: estándar y polarizado. • Réflex estándar (C Fig.15) El haz de luz normalmente se encuentra en el espectro infrarrojo (de 850 a 950nm). Ventajas: el emisor y el receptor se encuentran en el mismo aparato (una única alimentación). La distancia de detección es considerable, si bien menor que en el caso anterior (hasta 20m). Inconveniente: un objeto reflectante (ventana, carrocería de un automóvil, etc.) puede ser interpretado como un reflector y no ser detectado. • Réflex polarizado (C Fig.16) El haz de luz normalmente se encuentra en el espectro rojo (660 nm).

A Fig. 16

Detector fotoeléctrico réflex polarizado

La radiación emitida se polariza verticalmente por un filtro de polarización lineal. El reflector cambia el estado de la polarización de la luz, por lo que parte de la radiación devuelta tiene una componente horizontal. El filtro de polarización lineal del receptor deja pasar esta componente y la luz alcanza el receptor. A diferencia del reflector, un objeto reflectante (espejo, placa metálica, etc.) no altera el estado de polarización por lo que la lutz que refleja no puede puede alcanzar el polarizador del receptor (C Fig.17). Ventaja: este tipo de detector supera el problema que presenta un detector fotoeléctricto réflex estándar. Inconvenientes: este detector es más caro y sus distancias de detección son más reducidas que en el caso de un réflex estándar: Réflex estándar -->20m Réflex polarizado ---> 8m

A Fig. 17

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Detector fotoeléctrico réflex polarizado: principio de no-detección de objetos reflectantes

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6 - Adquisición de datos: detección v De proximidad • De proximidad estándar (C Fig.18) Este sistema se basa en la reflexión del objeto a detectar. Ventaja: no se requiere un reflector. Inconvenientes: la distancia de detección es muy corta (hasta 2m). Además varia con el color del objeto a detectar y el plano posterior que éste presenta (para unas condiciones dadas, la distancia es mayor para un objeto blanco y menor para un objeto gris o negro); un plano posterior más claro que el objeto a detectar puede hacer que la detección resulte imposible. A Fig. 18

Detector fotoeléctrico de proximidad estándar

• De proximidad con borrado del plano posterior (C Fig.19) Este sistema de detección utiliza la triangularización. La distancia de detección (hasta 2m) no depende de la reflectividad del objeto sinó de su posición, por lo que un objeto claro se detecta a la misma distancia que un objeto oscuro y un plano posterior más allá de la distancia de detección será ignorado.

v De fibra óptica • Principio de funcionamiento El principio de propagación de una onda de luz en la fibra óptica se basa en la reflexión interna total.

A Fig. 19

Detector fotoeléctrico de proximidad con borrado del plano posterior

La reflexión interna es total cuando un haz de luz pasa de un medio a otro con un índice de refracción menor. La luz se refleja en su totalidad, como se puede ver en la (C Fig. 20), sin pérdidas cuando el ángulo de incidencia del haz es mayor que el ángulo crítico θc. La reflexión interna total está determinada, pues, por dos factores: el índice de refracción de cada medio y el ángulo crítico.

6

Estos factores están relacionados según la siguiente ecuación:

Si se conocen los índices de refracción de los dos medios, el ángulo crítico resulta, pues, fácil de calcular. La física define el índice de refracción de un medio como la relación entre la velocidad de la luz en el vacío (c) y su velocidad en el medio en cuestión (v). A Fig. 20

Principio de propagación de una onda de luz en la fibra óptica

El índice correspondiente al aire se considera igual al del vacío 1, dado que la velocidad de la luz en el aire es casi igual a la del vacío. Es una aproximación que se puede considerar en cualquier caso. • Hay dos tipos de fibra óptica: multimodo y monomodo (C Fig.21) - Multimodo Estas fibras tienen un diámetro del corazón (parte que conduce la luz) grande si se compara con la longitud de onda usada (φ de 9 a 125 μm, Lo = de 0,5 a 1 mm). Dos tipos de propagación son usados en estas fibras: de salto de índice o de gradiente de índice. - Monomodo Por contraste, estas fibras tienen un diámetro muy pequeño si se compara con la longitud de onda usada (φ <= 1 μm, Lo = usualmente 1,5 μm). Usan propagación de salto de índice. Sus aplicaciones están en el ámbito de las telecomunicaciones. La definición de estas fibras ilustran el cuidado que se tiene que tener con ellas cuando, por ejemplo, son estiradas (resistencia a la tracción reducida y radios de curvatura moderados, de acuerdo con las especificaciones del fabricante).

A Fig. 21

Tipos de fibra óptica

Las fibras ópticas multimodo son las más usadas en la industria, dado que tienen la ventaja de ser robustas desde el punto de vista electromagnético (compatiblidad electromagnética, CEM) y fáciles de instalar.

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6 - Adquisición de datos: detección • Tecnología de los detectores Las fibras ópticas se posicionan delante del LED emisor y delante del fotodiodo o fototransistor receptor (C Fig.22). Esta disposición es utilizada para: - alejar los componentes electrónicos del punto de control, - alcanzar lugares exiguos o a elevadas temperaturas, - detectar objetos muy pequeños (de alrededor de 1mm), - dependiendo de la configuración del final de las fibras, funcionar en modo barrera o proximidad. A Fig. 22

Detector fotoeléctrico de fibra óptica

Nótese que se debe tener extremo cuidado con las conexiones entre LED emisor o fototransistor receptor y fibra óptica para minimizar las pérdidas en la transmisión de señal.

b Factores que afectan a los dispositivos de detección fotoeléctrica Existen una serie de factores que pueden influir en las prestaciones de estos sistemas de detección. Algunos de ellos ya han sido mencionados: - distancia (detector-objeto), - tipo de objeto a detectar (sustancia difusa, reflectante o transparente, color y dimensones), - ambiente (iluminación, fondo, etc.).

6.6

Detectores por ultrasonidos b Principio de funcionamiento Los ultrasonidos se producen eléctricamente con un transductor electroacústico (efecto piezoeléctrico) alimentado con energía eléctrica que es convertida en vibraciones mecánicas mediante la piezoelectricidad o mediante el fenómeno que se conoce como magnetostricción ( CFig.23). Este principio consiste en medir el tiempo que necesita la onda acústica para propagarse entre el sensor y el objeto a detectar.

A Fig. 23

Principio de un transductor electroacústico

La velocidad de propagación es de 340m/s en el aire a 20°C, esto es, para 1m el tiempo medido ronda los 3ms. El tiempo lo mide un contador integrado en un microcontrolador. La ventaja de los detectores por ultrasonidos radica en el hecho que pueden trabajar a grandes distancias (hasta 10m) y, por encima de todo, detectar cualquier objeto que refleje el sonido, sin importar su forma o color.

b Aplicación (C Fig.24)

A Fig. 24

Principio de un detector por ultrasonidos

Excitado por el generador de alta tensión, el transductor (emisor-receptor), genera una onda ultrasónica pulsante (de 100 a 500kHz, dependiendo del producto) que viaja a través del aire ambiente a la velocidad del sonido. Tan pronto como la onda choca contra un objeto, una onda reflejada (eco) vuelve al transductor. Un microprocesador analiza la señal de entrada y mide el intérvalo de tiempo entre la señal emitida y el eco. Comparando este intérvalo con tiempos predefinidos, se determina y controla el estado de las salidas. Si se conoce la velocidad a la que se propaga el sonido, se puede calcular la distancia existente utilizando la siguiente fórmula: D = T.Vs/2 donde D: distancia entre detector y objeto, T: tiempo transcurrido entre la emisión y la recepción de la onda, Ss: velocidad del sonido (300m/s). La fase de salida controla un interruptor estático (transistor PNP o NPN) correspondiente a un contacto de apertura o de cierre, o proporciona una señal analógica (corriente o tensión) directamente o inversamente proporcional a la distancia al objeto.

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6 - Adquisición de datos: detección b Particularidades de los detectores por ultrasonidos v Definiciones (C Fig.25) Zona ciega: zona entre la cara sensible del detector y la distancia mínima a la cual un objeto no puede ser detectado de forma fiable. Es imposible detectar objetos correctamente en esta zona. Los objetos no deberían ser situados en la zona ciega durante el funcionamiento del detector ya que éstos pueden hacer que las salidas sean inestables.

A Fig. 25

Límites de funcionamiento

Zona de detección: área en la que el detector es sensible. Dependiendo del modelo de detector, esta zona se puede ajustar o fijar con un pulsador de tipo ordinario. Factores de influencia: los detectores por ultrasonidos son especialmente adecuados para detectar objetos duros con una superficie plana perpendicular al eje de detección. Sin embargo, existen una serie de factores que pueden alterar el funcionamiento del detector: - Las corrientes de aire bruscas pueden acelerar o desviar la onda acústica emitida. - Gradientes de temperatura importantes en la zona de detección. Cuando un objeto emite mucha calor, éste crea zonas de temperaturas diferentes que alteran el tiempo de propagación de la onda y provocan una detección no fiable. - Materiales aislantes del sonido. Materiales como el algodón o el caucho absorben el sonido; se aconseja el modo de detección "réflex" para aquellos productos hechos con estos materiales. - Ángulo entre la parte frontal del objeto a detectar y el eje de referencia. Si este ángulo es diferente a 90°, la onda no se refleja en el eje del detector y la zona de funcionamiento se reduce. Cuanto más grande sea la distancia entre el objeto y el detector, más se acentúa este efecto. Más allá de ± 10°, la detección resulta impossible. - Forma del objeto a detectar. Teniendo en cuenta el factor anterior, los objetos angulosos son más difíciles de detectar.

6

v Modos de funcionamiento (C Fig.26) • Modo de proximidad: un único detector emite la onda de sonido y la recibe después de ser reflejada por un objeto. En este caso, es el objeto el que refleja la onda. • Modo réflex: un único detector emite la onda de sonido y la recibe después de reflejarse en un reflector, por tanto el detector está permanentemente activo. En este caso, el reflector es una pieza plana y rígida. El objeto es detectado cuando la onda se "interrumpe". Este modo está especialmente indicado para detectar objetos que absorben el sonido o con formas angulosas. A Fig. 26

Modos de funcionamiento de un detector • Modo de barrera: el sistema de barrera consiste en dos productos separados, un por ultrasonidos a/ En modo de proximidad emisor por ultrasonidos y un receptor, situados de forma opuesta. b/ En modo réflex

b Ventajas de la detección por ultrasonidos - No existe contacto físico con el objeto, por tanto no hay juego mecánico y se pueden detectar objetos frágiles o recién pintados. - Cualquier material, independientemente de su color, puede ser detectada en el mismo rango range sin factores de ajuste o de corrección. - Dispositivos estáticos: no hay partes móviles en el detector, por lo que su vida útil no queda afectada por el número de ciclos de funcionamiento. - Buena resistencia en ambientes industriales: vibraciones, impactos, humedad, polvo, etc. - Función de aprendizaje presionando un botón para definir la zona de detección. Se memorizan los rangos mínimo y máximo (eliminación muy precisa del fondo y del primer plano hasta ± 6mm).

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6 - Adquisición de datos: detección 6.9

Encoder óptico b Presentación de un encoder óptico v Constitución Un encoder óptico rotativo es un sensor angular de posición que consta de un diodo electroluminiscente (LED), un receptor fotosensible, y un disco con una serie de zonas opacas y transparentes físicamente conectado por su eje al órgano de la máquina a controlar.

A Fig. 44

Ejemplo de un sensor óptico (de Telemecanique)

La luz emitida por los LEDs llega a los fotodiodos cuando ésta cruza las zonas transparentes del disco; en tal caso, los fotodiodos generan una señal eléctrica, que se amplifica y convierte en una señal de onda cuadrada antes de ser enviada a un sistema de procesamiento. Cuando el disco rota, la señal de salida del encoder coge una forma de señales de onda cuadrada sucesivas; esto se puede observar en la (C Fig.44).

v Principio de funcionamiento La rotación de un disco graduado genera impulsos idénticos en la salida del sensor óptico, dependiendo del movimiento del objeto a controlar. La resolución, esto es, el número de impulsos por vuelta, corresponde al número de graduaciones en el disco o un múltiplo de este número. Cuanto más grande es este número, mayor es el número de medidas por vuelta, lo que permite conocer de forma más precisa el desplazamiento o la velocidad de la parte móvil de la máquina conectada al encoder. Aplicación típica: máquina de corte longitudinal. La resolución se expresa según distancia recorrida en 1 vuelta número de puntos Por ejemplo, si la máquina de corte consta de un disco de 200mm de longitud de circunferencia, para obtener una precisión de 1 mm la resolución del encoder debe ser de 200 puntos. Para una precisión de 0,5mm la resolución debe ser de 400 puntos.

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v Implementación técnica (C Fig.45) La parte emisora consta de una triple fuente de luz con tres fotodiodos y tres LEDs (por temas de redundancia), con una vida útil de entre 10 y 12 años. Un ASIC asociado al conjunto sensor óptico permite obtener señales de onda cuadrada después de la amplificación.

A Fig. 45

Principio de un encoder incremental

El disco está fabricado en polyfass (mylarmica) for resolutions up to: - 2048 puntos para un diámetro de 40mm, - 5000 puntos para un diámetro de 58mm, - 10000 puntos para un diámetro de 90mm, o vidrio para mayores resoluciones y frecuencias de lectura elevadas (hasta 300kHz).

b Familias de encoders ópticos Los fabricantes ofrecen una amplia oferta de productos para cubrir todas las aplicaciones industriales. Se dividen en dos grandes familias: - encoders incrementales que detectan la posición de una parte móvil y controlan su desplazamiento incrementando o reduciendo los impulsos que éstos generan, - encoders absolutos de posición que dan la posición exacta sobre una o varias vueltas. Estas familias incluyen variantes como por ejemplo: - encoders absolutos multivueltas, - tacoencoders que proporcionan información sobre velocidad, - tacómetros, donde se procesan datos para dar información sobre la velocidad. Todos estos dispositivos utilizan técnicas similares. Difieren los unos de los otros en las "ventanas" del disco y en la manera de codificar o procesar la señal óptica.

A Fig. 46

Vista de un disco graduado en un encoder incremental

v Encoders incrementales (C Fig.46) Los encoders incrementales están diseñados para aplicaciones de posicionamiento de partes móviles y controlar su desplazamiento incrementando/reduciendo los impulsos que genera. 149

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6 - Adquisición de datos: detección • El disco de un encoder incremental tiene dos tipos de pista: - una pista exterior (canales A y B) dividida en "n" intervalos de igual ángulo y alternativamente opacos y transparentes, siendo "n" la resolución o número de periodos. Dos fotodiodos desfasados detrás de esta pista generan señales de onda cuadrada A y B cada vez que el haz de luz cruza una zona transparente. El desfase eléctrico a 90º (1/4 de periodo) de las señales A y B definde el sentido de rotación (C Fig.47). Cuando se rota en un sentido, B es igual a 1; cuando A cambia de 0 a 1 se rota en sentido contrario y en este caso B es igual a 0, - una pista interior (Z) con una única ventana transparente. La señal Z, conocida como "señal cero", con un periodo de 90 grados eléctricos, está sincronizada con las señales A y B. Define una posición de referencia y permite la reinicialización en cada vuelta.

A Fig. 47

Principio de detección del sentido de rotación y de la "señal cero"

• Funcionamiento de los canales A y B Los encoders incrementales permiten tres niveles de precisión de funcionamiento: - utilización de los frentes ascendentes sólo del canal A: funcionamiento sencillo, correspondiente a la resolución del encoder, - utilización de los frentes ascendentes y descendentes sólo del canal A: la precisión de funcionamiento se dobla, - utilización de los frentes ascendentes y descendentes de los canales A y B: la precisión de funcionamiento se cuadruplica (C Fig.48). • Eliminación de interferencias Cualquier sistema de contaje puede ser perturbado por la aparición de interferencias en la línea que se pueden interpretar como impulsos del encoder. Para prevenir este riesgo, la mayoría de encoders incrementales generan señales complementarias de A, B y Z además de las señales regulares. Si el sistema de procesado se diseña de tal manera que sea compatible (por ejemplo, en control numérico NUM), estas señales complementarias se pueden usar para diferenciar entre impulsos del encoder e interferencias (C Fig.49), para evitar que éstos últimos se contabilicen, o bien para reconstruir la señal emitida (C Fig.50).

v Encoders absolutos • Principio de diseño Los encoders incrementales están diseñados para aplicaciones de control del desplazamiento y de posicionamiento de un móvil, como ya se ha comentado. A Fig. 48

Incremento de la precisión

A Fig. 49

Eliminación de impulsos de interferencia

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A Fig. 50

Reconstrucción de una señal perturbada

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6 - Adquisición de datos: detección Estos encoders rotativos trabajan de forma similar a los sensores incrementales, pero difieren en su disco, que tiene varias pistas concéntricas divididas en segmentos iguales alternativamente opacos y transparentes (C Fig.51). Un encoder absoluto genera continuamente un código que es la imagen real de la posición de la parte móvil a controlar. La primera pista interior es mitad opaca y mitad transparente. La lectura de esta pista permite determinar la localización de un objeto a la media vuelta más próxima (MSB: Most Significant Bit). A Fig. 51

Discos grabados de un encoder absoluto

La siguiente pista, desde el interior hasta el exterior del disco, se divide en cuatro cuartos alternativamente opacos y transparentes. La lectura de la segunda pista combinada con la de la que la precede (la primera) determina en qué cuarto de vuelta se situa el objeto. Las siguientes pistas sirven para determinar de forma sucesiva en qué octavo, dieciseisavo, treintaidosavo, etc. de vuelta se situa el objeto. La pista exterior corresponde al bit menos significativo o de menor peso (LSB: Least Significant Bit). El número de salidas paralelas es el mismo que el número de bits o de pistas del disco. La imagen del desplazamiento requiere tantos pares diodo/fototransistor como bits emitidos o pistas en el disco. La combinación de todas las señales en un momento dado permite conocer la posición de la parte móvil. Los encoders absolutos emiten un código digital, imagen de la posición física del disco, donde un único código corresponde a una única posición. El código producido por los encoders rotativos absolutos o bien es binario natural (binario puro), o bien es binario reflejado, también conocido como código Gray (C Fig.52).

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A Fig. 52

A Fig. 53

Señal producida en código Gray por un encoder rotativo absoluto

• Ventajas de los encoders absolutos Los encoders absolutos tienen dos grandes ventajas respecto de los encoders incrementales: - son insensibles a los fallos de alimentación, dado que al arrancar después de tal fallo el encoder suministra información sobre la posición angular real de la parte móvil que la puede utilizar el sistema de procesamiento de forma inmediata. Un encoder incremental debe reinicializarse antes de utilizar las señales, - son insensibles a las interferencias en la línea. Las interferencias pueden alterar el código generado por un encoder absoluto pero automáticamente vuelve a la normalidad tan pronto como éstas desaparecen. En cambio, un encoder incremental las interferencias se consideran señales, salvo que se utilicen señales complementarias.

• Utilización de las señales Para cada posición angular del eje, el disco proporciona un código, que puede ser Principio de conversión de Gray en binario binario o Gray: - código binario puro. Se usa para efectuar las 4 operaciones aritméticas con números expreados en este código, por lo que los sistemas de procesado (autómatas) lo pueden usar de forma directa para efectuar cálculos. Sin embargo, presenta un inconveniente, y es que el hecho de tener varios bits que cambian su estado entre dos posiciones que puede dar lugar a una lectura ambigua. Para evitar esto, los encoders absolutos generan una señal de inhibición que bloquea las salidas a cada cambio de estado. - el código Gray, en el que sólo un bit cambia su estadio cada vez, evita esta ambigüedad. Pero para ser usado con un autómata, este código debe ser convertido antes a binario (C Fig.53). • Utilización de un encoder absoluto En la mayoría de aplicaciones, la búsqueda de una mayor productividad requiere de movimientos rápidos, a gran velocidad, seguidos de deceleraciones para obtener un posicionamiento preciso. Para conseguir este objetivo con tarjetas de E/S estándar, los MSBs deben ser controlados cuando la velocidad es elevada, de tal manera que la deceleración se realice en la media vuelta más cercana. (C Fig.54).

A Fig. 54

Posición de una parte móvil en un eje

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6 - Adquisición de datos: detección v Diferentes variantes de encoder

Existen diferentes variantes de encoder diseñadas para satisfacer todo tipo de requerimientos, como por ejemplo: - encoders absolutos multivueltas, - tacoencoders y tacómetros, - encoders de eje sólido, - encoders de eje hueco, - encoders de eje pasante.

v Encoders con unidades de procesamiento Los circuitos de entrada de las unidades de procesamiento o tratamiento deben ser compatibles con el flujo de información procedente de los encoders (C Fig.55).

Unidad de tratamiento

Encoder Absoluto

Incremental Frecuencia de la señal (kHz) =< 0,2 Aut. programable

Discrete inputs Contaje rápido Tarjetas de eje

Control digital

=< 40

> 40

X

X

X

X

X

X

X

Entradas paralelo

Microordenador Tarjetas especiales

Conexión paralelo

X X

X

X

X

Principales tipos de unidades de tratamiento utilizadas en la industria

A Fig. 55

b Sensores de velocidad b

-c a

-a c

S

N

-b

-b'

S

c'

A Fig. 56

Los encoders descritos anteriormente son capaces de dar información sobre la velocidad mediante un tratamiento adecuado de la señal de salida.

N

-a'

-c'

b'

a'

Esquema de un alternador tacométrico

Esta descripción no seria completa si no se mencionaran los sensores de velocidad analógicos. Éstos se utilizan mayoritariamente para el control de la velocidad y en particular en variadores de velocidad para motores de CC. Para funcionar con convertidores de frecuencia en bucle cerrado, los variadores de velocidad modernos usan un sensor de velocidad virtual, que usa las medidas eléctricas del variador para recalcular la velocidad real de la máquina.

v Alternador tacométrico

Este sensor de velocidad (C Fig.56) consta de un estator bobinado y de un rotor con imanes permanentes. Esta configuración es similar a la de un alternador. La rotación induce tensiones alternas en los devanados del estátor. La amplitud y la frecuencia de la señal generada está directamente relacionada con la velocidad de rotación. El usuario puede usar tanto la tensión (valor eficaz o rectificado) como la frecuencia para controlar o establecer la velocidad. El sentido de rotación se puede detectar fácilmente utilizando el desplazamiento de fase existente entre devanados.

v Dinamo tacométrica Este sensor de velocidad consta de un estator con un devanado fijo y de un rotor con imanes permanentes. El rotor está equipado con un colector y unas escobillas (C Fig.57). A Fig. 57

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Esquema de una dinamo tacométrica

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6 - Adquisición de datos: detección Esta configuración es similiar a la de un generador de CC. El colector y el tipo de escobillas usadas se escogen para limitar los picos de tensión y la discontinuidad de ésta con el paso de las escobillas. Puede funcionar en un amplio rango de velocidades. La rotación induce una CC donde la polaridad depende del sentido de rotación, y la amplitud es proporcional a la velocidad. La amplitud y la polaridad se usan para controlar o establecer la velocidad. La tensión producida por este tipo de sensor va desde 10V hasta 60V por cada 1000rpm y puede, en algunas dinamos, ser programada por el usuario.

v Sensores de reluctancia variable Un esquema de este tipo de sensor se puede ver en la figura 58. El núcleo magnético de la bobina detectora está sujeta al flujo de inducción de un imán permanente; se situa de cara un disco (rueda polar) o de una pieza rotativa ferromagnética. La sucesión de discontinuidades magnéticas (dientes, pistas, agujeros) que lleva el disco o la pieza rotativa provoca una variación periódica de la reluctancia del circuito magnético de la bobina, que induce en él una tensión de frecuencia y amplitud proporcionales a la velocidad de rotación. La amplitud de la tensión depende de: - la distancia entre la bobina y la pieza, - la velocidad de rotación: en principio, es proporcional a esta velocidad; a bajas velocidades la amplitud puede ser muy baja como para ser detectada: por debajo de un límite de velocidad, el sensor no funcionará.

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A Fig. 58

El rango de medida depende del número de discontinuidades magnéticas que tiene la parte rotativa. La velocidad mínima que puede ser medida cae Esquema de un sensor reluctancia variable a medida que el número de discontinuidades aumenta. Análogamente, la velocidad máxima que puede ser medida aumenta a medida que el número de discontinuidades disminuye, debido a la dificultad de procesar señales de alta frecuencia. En un rango de velocidades de entre 50rpm y 500rpm se necesitará una rueda de 60 dientes, mientras que entre 500rpm y 10.000rpm será una de 15. El tacómetro de corrientes de Foucault es muy similar y se puede usar con una pieza móvil de metal no-ferromagnético. El conjunto bobina-imán permanente se sustituye por un circuito oscilante. La bobina, que es la cabeza de medición, forma la inductancia L del circuito de ajuste del oscilador de onda sinusoidal. Las características L y R de la bobina varian a medida que un conductor metálico se aproxima. Cuando una rueda dentada situada delante de la bobina está rotando, cada diente que pasa interrumpe el oscilador cosa que es detectada, por ejemplo, debido a la alteración en su corriente de alimentación. Dado que la señal correspondiente a la frecuencia proporcional a la velocidad y su amplitud no está determinada en este caso por la velocidad de rotación, es independiente de ella. Ello significa que este tipo de sensor se puede usar a bajas velocidades. Además, se puede usar para medir valores de velocidad por encima de un rango determinado -y por debajo-, como un "detector de aplicaciones inductivas para el control de la rotación" de Telemecanique XSAV, XS9, etc.

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TRANSMISORES DE SEÑAL Si se ha elegido una termocupla o una termorresistencia como el sensor apropiado para una aplicación dada, hay dos formas de transportar la información de temperatura hasta el lugar de uso. La primera es conectar directamente el sensor, es decir, prolongar el propio alambre del sensor o utilizar un alambre de extensión compatible hasta el punto de uso y transmitir sobre esta línea la salida real del sensor. La segunda opción es transmitir la salida real del sensor hasta un transmisor cercano que produce una señal eléctrica amplificada que puede ser transportada al lugar de uso a través de un alambre de cobre común. El cableado directo de una termocupla o termorresistencia tiene cierto atractivo. Pero es importante tener en cuenta que este enfoque presenta al menos tres inconvenientes: la exactitud, la estabilidad de la señal y el costo. La instalación de un alambre de termocupla requiere mucho cuidado. Se deben tomar precauciones para evitar el corte del alambre o someter los conductores a distintas temperaturas. Estos aspectos afectan la exactitud de la medición y el costo de la instalación. Si se utiliza alambre para transmitir las mediciones, es inevitable que éste actúe como una antena gigante y por lo tanto capture interferencias electromagnéticas y de radiofrecuencia, o sea ruido eléctrico. Ya que la salida eléctrica de la propia termocupla es muy pequeña (la tensión en muchos casos es menor que 0,000036 V por ºC de cambio de temperatura). La exactitud y la estabilidad de esta señal de temperatura se verán afectados por el ruido. La captación de sólo 0,01 V puede significar un error de medición de 28°C. Tal interferencia es generada por muchas fuentes, incluyendo motores eléctricos, líneas de corriente alterna y wailkie-tailkies. Como referencia, observe que un metro de longitud de alambre colocado cerca de un wailkie-tailkie puede generar un potencial electrónico de 5 V. En muchos casos, el ruido es intermitente y resulta difícil de seguir y eliminar. El uso de un alambre blindado ayuda pero esto adiciona costos y no ofrece garantías. El tercer inconveniente del cableado directo es el costo, ya que se trata de una tarea difícil y por consiguiente cara. La termorresistencia no requiere alambre especial pero, tal como se mencionó anteriormente, cada instrumento necesita de tres o cuatro conductores. Ellos también están sujetos al ruido eléctrico, aunque no en tal alto grado como las termocuplas. Para las termorresistencias se recomienda un cableado blindado, que se suma al costo de cableado y de instalación. Finalmente: el cableado directo también resulta caro en lo que hace a mantenimiento y reparación. El personal de reparaciones no debe recurrir a técnicas de empalme ya que los empalmes son fuentes conocidas de error de señal. Por las razones ya apuntadas, el uso del cableado directo debe estar limitado a distancias cortas. En consecuencia, se debe pensar en transmisores si la información de temperatura debe ser enviada a más de 30 metros de distancia; incluso se deben preferir transmisores para distancias más cortas si el ambiente es eléctricamente ruidoso o si se necesita una inusual exactitud o consistencia en las mediciones. Los transmisores son capaces de enviar señales amplificadas de la salida del sensor a miles de metros sin degradación. Los transmisores pueden clasificarse como dispositivos de dos o cuatro alambres, lo que depende del número de alambres necesarios para proveer la entrada de alimentación y para enviar la señal de salida. Los transmisores también pueden dividirse según la salida del transmisor varíe con la tensión o con la corriente. Y hay una tercera diferenciación entre transmisores aislados y no aislados. Finalmente, el usuario puede elegir entre versiones analógicas o digitales. Recientemente, ha surgido una nueva clase de transmisores de temperatura basados en microprocesadores y computación digital. Comúnmente se los conoce como transmisores "inteligentes", habiendo sido diseñados con muchas características previamente no disponibles en los diseños analógicos.

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Dos alambres vs. Cuatro alambres En los transmisores de dos alambres o bifilares, la energía eléctrica que alimenta al dispositivo proviene de una batería u otra fuente en el circuito de salida del transmisor. Los únicos otros alambres adosados al dispositivo son aquellos que provienen del sensor. Estos transmisores de dos alambres son considerados generalmente como instrumentos de baja potencia; su salida varía de 4 a 20 mA según la temperatura medida, y el transmisor debe ser diseñado de modo que funcione aún en el extremo inferior de ese rango. En los transmisores de cuatro alambres o tetrafilares, la fuente de alimentación no se encuentra en el circuito de salida; en lugar de ello; el dispositivo está conectado a una fuente independiente. En consecuencia, los transmisores de cuatro alambres no se consideran normalmente como dispositivos de baja potencia. Las dos opciones de transmisor se muestran en la parrte inferior de la figura 4. La razón más obvia para utilizar un transmisor de dos alambres es el ahorro en el costo del alambre. Los transmisores de dos alambres por sí mismos raramente cuestan más que una versión de cuatro alambres y consumen menos potencia, de modo que el argumento a favor de los transmisores de dos alambres es muy fuerte. Los dispositivos de cuatro alambres se siguen usando por haber sido los primeros disponibles en el mercado. También son imprescindibles en ocasiones cuando, para ciertos equipos receptores, se requiere un rango de señales de base cero desde el transmisor (por ejemplo, de O a 5 V) En lo que hace a la elección entre salida basada en tensión o en corriente, esta última es la mas común. No está sujeta a pérdidas en la transmisión: la corriente que circula a lo largo de un lazo es siempre la misma en cualquier lugar. También es más exacta, ya que la salida de tensión está sujeta a pérdidas de potencial eléctrico asociadas con la resistencia del alambre, la corrosión de las junturas de los terminales y otros factores similares.

Aislados vs. no aislados Tal como se mencionó anteriormente, las termocuplas suelen usar un sensor de juntura conectada a tierra para mejorar el tiempo de respuesta. En una planta típica, hay varios circuitos eléctricos conectados a tierra. Desafortunadamente cuando dos tierras están ubicadas a cientos de metros de distancia una de otra, su potencial eléctrico puede ser bastante diferente y una conexión directa entre ellas hará circular una corriente eléctrica. Este fenómeno se denomina lazo de tierra. La pequeña corriente de un lazo de tierra puede causar un error significativo en una señal eléctrica. Para evitar este problema, se dispone de transmisores con circuitos especiales que aislan la salida de la entrada; estos transmisores deben usarse siempre con las termocuplas de juntura conectada a tierra. Aunque los sensores de termorresistencia por lo general no están conectados a tierra, tal aislación es una buena garantía contra lazos de tierra parásitos.

Inteligentes vs. Analógicos La familia relativamente nueva de transmisores de temperatura basados en microprocesadores o "inteligentes" ofrece numerosas ventajas sobre los transmisores analógicos. Una ventaja clave es la versatilidad. Un transmisor inteligente típico recibe entradas de cualquier tipo de termocupla y acepta a la mayoría de las termorresistencias. . (Si bien los sensores de temperatura industriales, particularmente las termocuplas, son dispositivos significativamente no lineales, los transmisores inteligentes linealizan la señal). Los transmisores de temperatura inteligentes tienden inherentemente a ser muy estables ante cambios en la temperatura ambiente. En la figura 5 se compara el desempeño de los transmisores analógicos y los inteligentes ante cambios en la temperatura ambiente. Algunos Fabricantes mejoran esta estabilidad calibrando los transmisores a diversas temperaturas. Y otros han ido más allá incorporando autocalibración automática en sus transmisores. Estos últimos cuentan con tensiones de referencia internas que se actualizan periódicamente para la temperatura 69

ambiente prevaleciente; los ajustes internos permiten compensar cualquier deriva a largo plazo. La autocalibración elimina virtualmente el mantenimiento periódico asociado con transmisores analógicos.

Todo es digital Todos los transmisores basados en microprocesador realizan operaciones matemáticas digitales y la salida de prácticamente todos ellos es digital. La comunicación digital simplifica la configuración de un transmisor, pero suele requerir una terminal de mano propietaria. Sin embargo, la salida de algunos dispositivos se basa en la norma RS-232 y por lo tanto, puede ser leída por una computadora personal. Los fabricantes de algunos transmisores de temperatura inteligentes también ofrecen un método para la puesta a punto de un transmisor sin el empleo de una terminal. En este caso se usa un menú "analógico” para subir o bajar la corriente de salida del transmisor en pasos definidos, cada uno de acuerdo a un parámetro de puesta a punto. A la luz de todos estos atractivos que ofrecen los transmisores inteligentes, ellos serán la elección frente a los transmisores analógicos en la mayoría de las aplicaciones. La única excepción quizás sea la situación antes mencionada donde la señal de salida del transmisor debe ser de tensión con 0 V en el extremo inferior del rango.

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ACTUADORES El actuador es el elemento final de control que, en respuesta a la señal de mando que recibe, actúa sobre la variable o elemento final del proceso. Un actuador transforma la energía de salida del automatismo en otra útil para el entorno industrial de trabajo. Los actuadores pueden ser clasificados en eléctricos, neumáticos e hidráulicos: • Los actudores eléctricos son adecuados para movimientos angulares y en el control de velocidad de ejes. Utilizan como fuente de energía la eléctrica

Actuadores eléctricos • Los actuadores neumáticos son adecuados para aplicaciones en movimientos lineales cortos que se producen, por ejemplo, en operaciones de transferencia, ensamblajes, aprietes...Utilizan el aire comprimido como fuente de energía. • Los actuadores hidráulicos sólo se utilizan cuando los esfuerzos a desarrollar son muy importantes o cuando las velocidades lentas deben ser controladas con precisión. Los actuadores más utilizados en la industria son: cilindros, motores de corriente alterna, motores de corriente continua, etc. Los actudores son gobernados por la parte de mando, sin embargo, pueden estar bajo el control directo de la misma o bien requerir algún preaccionamiento para amplificar la señal de mando. Esta preamplificación se traduce en establecer, interrumpir o regular la circulación de energía desde la fuente al actuador. Algunos ejemplos de preaccionadores podrían ser contactores, variadores (preaccionadores eléctricos) o válvulas distribuidoras (preaccionadores neumáticos).

Preaccionadores Eléctricos

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de velocidad

Dentro de los elementos finales de control, y preaccionadores veremos las características principales de alguno de ellos por ser de vasta presencia en los procesos industriales mas comunes, por ejemplo: Válvulas de control Válvula solenoide de tres vías Variador de velocidad Contactores Cilindros neumáticos

Válvulas de control Es un elemento final de lazo de control que interrumpe o deja pasar el fluido según la señal correctora que le llegue desde el controlador Elementos: – Cuerpo y partes internas: regulan el paso del fluido – Actuador o servomotor: actúa sobre el obturador de la válvula modificando su apertura, en función de la señal que le llega.

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Clasificación de las válvulas según los tipos de cuerpo

Mariposa: Ventajas: Alta capacidad con baja caída de presión a través de la válvula. Apta para un gran rango de temperaturas, dependiendo del tipo de cierre. Mínimo espacio para instalación. Económica, especialmente en grandes tamaños. Su menor peso le hace más manejable en su mantenimiento.

Desventajas: Necesita actuadores potentes o de gran recorrido si el tamaño de la válvula es grande o la presión diferencial es alta. No adecuada para “fluidos cavitantes” o aplicaciones de ruido.

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Bola: Ventajas: Excelente control ante fluidos viscosos, erosivos, fibrosos o con sólidos en suspensión. Alta rangeabilidad de control (aprox.: 300:1). Mayor capacidad que las válvulas de globo. Desventajas: Precio elevado. No adecuada para “líquidos cavitantes”. Puede provocar ruido con caídas de presión altas.

Globo: El flujo lo restringe un obturador que se desplaza perpendicularmente al asiento de la válvula. Ventajas: Disponibles en todos los “ratings”. Amplia selección de materiales constructivos. Posibilidad de diversas características de caudal. Partes internas aptas para el tipo de estanqueidad requerida. Desventajas: Considerables pérdidas de carga a grandes caudales. Precios más elevados que las válvulas de mariposa en servicios de baja presión y temperatura.

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Formas constructivas: Simple asiento: Óptimos cuando queremos alto nivel de estanqueidad. Doble asiento: Permiten trabajar con fluidos a alta presión, con un Caja: El asiento de la válvula esta agujereado. Membrana: Se usa para fluidos muy corrosivos, de alta viscosidad, en la industria alimentaria. Tres vías: Se usa para partir una corriente en dos o unir dos corrientes en un actuador standard.

Característica de caudal: Características isoporcentual: incrementos iguales en el recorrido de la válvula producen cambios en igual porcentaje en el caudal existente. Característica lineal: la capacidad de la válvula varia lineal con la carrera. Característica todo nada: El cambio de caudal es máximo a bajos recorridos, siendo luego muy pequeño.

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Válvulas Solenoide

Las válvulas de solenoide permiten un control on-off mediante variaciones de corriente eléctrica en su bobina. Son utilizadas ampliamente en control de flujo en sistemas neumáticos. En muchas aplicaciones es necesario controlar el paso de algún tipo de flujo, desde corriente eléctrica hasta gases o líquidos. Esta tarea es realizada por válvulas. En particular, las accionadas por solenoides permiten su implementación en lugares de difícil acceso y facilitan la automatización del proceso al ser accionadas eléctricamente. ¿Qué es una válvula de solenoide? Este tipo de válvulas es controlada variando la corriente que circula a través de un solenoide (conductor ubicado alrededor de un émbolo, en forma de bobina). Esta corriente, al circular por el solenoide, genera un campo magnético que atrae un émbolo móvil. Por lo general estas válvulas operan de forma completamente abierta o completamente cerrada, aunque existen aplicaciones en las que se controla el flujo en forma lineal. Al finalizar el efecto del campo magnético, el émbolo vuelve a su posición por efecto de la gravedad, un resorte o por presión del fluido a controlar. Electroimanes El solenoide, bajo el efecto de corriente circulante, se comporta como un electroimán. Atrae materiales ferromagnéticos, producto de la alineación de momentos magnéticos atómicos. El campo magnético, creado al circular corriente por el solenoide, actúa sobre el émbolo móvil de material magnético. Se produce una fuerza que ocasiona el desplazamiento del émbolo permitiendo el cierre o apertura de la válvula. En la Figura Nº1 se aprecia un esquema del fenómeno. La bobina o solenoide genera un campo magnético, de acuerdo a la Ley de Ampere:

Este campo produce una fuerza sobre el émbolo o núcleo móvil, tal como se aprecia en la Figura Nº2.

La acción de esta fuerza de origen magnético constituye el principio de funcionamiento de toda válvula de solenoide.

Clasificación Existen muchos tipos de válvulas de solenoide. Todas ellas trabajan con el principio físico antes descrito, sin embargo se pueden agrupar de acuerdo a su aplicación, construcción o forma: Según su aplicación: Acción Directa u Operadas mediante piloto. 76

Según su construcción: Normalmente abierta o Normalmente cerrada. Según su forma: De acuerdo al número de vías. A continuación se profundizarán cada una de estas categorías, detallando su funcionamiento y aplicación.

Válvulas de solenoide de acción directa En este tipo de válvulas, el émbolo móvil controla el flujo debido al efecto de la fuerza de origen magnético directamente. Para ejemplificar el modo de trabajo de estas válvulas en general, se estudiará el funcionamiento de la válvula de solenoide de acción directa, normalmente cerrada de dos vías de la Figura Nº3.

En ella, al no circular corriente por la bobina, la aguja asociada a la parte inferior del émbolo cierra el orificio deteniendo el flujo. Al energizar el solenoide, se genera un campo magnético que ejerce fuerza sobre el émbolo atrayéndolo hacia arriba. De esta manera la aguja se levanta, permitiendo el paso del fluido. Al finalizar el efecto de la corriente eléctrica, la fuerza ascendente sobre el émbolo cesa. Este cae, por efecto de la gravedad, cerrando mediante la aguja el orificio, impidiendo de esta manera el paso del flujo por la tubería. En otras aplicaciones, se ocupan resortes que permiten la instalación de la válvula en posiciones no verticales, prescindiendo de esta manera de la fuerza de gravedad. Desde luego, mientras mayor sea la diferencia de presión entre la entrada y la salida del fluido, mayor tendrá que ser la fuerza ejercida sobre el émbolo móvil para cerrar (o abrir dependiendo del caso) el orificio de la válvula. Debido a lo anterior, existe un límite máximo de diferencia de presiones con las que puede trabajar cada válvula. Este límite se conoce como “Diferencial Máximo de Presión de Apertura”. Diferencial Máximo de Presión de Apertura (MOPD): Tal como se dijo anteriormente, mientras mayor sea la diferencia de presiones entre la entrada y la salida, más fuerza será necesaria para abrir o cerrar la válvula. También, mientras mayor sea el orificio de la válvula, mayor será el área afectada por esta diferencia de presiones, haciendo aún más difíciles los movimientos de la aguja asociada al émbolo. Por lo tanto, dado la fuerza máxima con que el electroimán puede atraer al émbolo, existe un límite para la diferencia de presiones entre la entrada y la salida. Si la presión excede este límite, el solenoide será incapaz de mover al émbolo, dejando a la válvula sin capacidad de actuación. Si se requiere de un gran MOPD, la fuerza que deberá ejercer el campo sobre el émbolo deberá ser grande. De esta manera, será necesaria una gran bobina, aumentando los costos de construcción de la válvula. Debido a lo anterior, las válvulas de acción directa se limitan a aplicaciones en las que se trabaja con diferencias de presiones y caudales pequeños. 77

Para grandes flujos y presiones se utilizan válvulas de solenoide operadas por piloto.

Válvulas de solenoide operadas por piloto Las válvulas de solenoide operadas por piloto se basan en una combinación de la bobina solenoide, descrita anteriormente, y la presión de la línea o tubería. En este tipo de válvulas, el émbolo está unido a un vástago de aguja, que a su vez cubre un orificio piloto en vez del puerto principal. En la Figura 4 se aprecia, a modo de ejemplo, una válvula de solenoide operada por piloto, normalmente cerrada, de dosvías con pistón flotante.

Existen tres tipos básicos de válvulas operadas por piloto: • Pistón Flotante. • Diafragma Flotante. • Diafragma Capturado. Los tres tipos de válvulas operan con el mismo principio. Cuando la bobina es energizada, el émbolo es atraído hacia el centro de la bobina, abriendo el orificio piloto. Una vez hecho esto, la presión atrapada arriba del pistón o diafragma se libera a través del orificio piloto, creando así un desbalance de presión a través del pistón o diafragma. De este modo, la presión inferior es mayor a la superior, forzándolo a subir y produciendo la apertura del puerto principal. Cuando se desenergiza la bobina solenoide, el émbolo cae y el vástago de aguja cierra el orificio piloto, provocando la igualación de las presiones sobre y bajo el pistón o diafragma, los cuales caen para cerrar el puerto principal. En la Figura 5 es posible apreciar un diseño de válvula solenoide idéntico al de la Figura 4, sólo que ésta posee un diafragma flotante en vez de un pistón. Es usual observar en válvulas de tamaño mediano, que el orificio piloto se localiza encima del pistón o del diafragma. En válvulas grandes, donde es mayor el movimiento del diafragma o pistón, es frecuente ubicar el orificio piloto en un punto alejado del dispositivo móvil, por cuestión de diseño práctico. Se aprecia en la Figura 6 como la válvula solenoide piloto no hace contacto con el pistón, sino que maneja la presión que afecta a este a través de sus conexiones a la línea y a la cámara piloto. De esta manera, cuando la solenoide piloto está desenergizada, se acumula presión alta en la cámara piloto, provista a través de una conexión de alta presión, forzando la clausura del pistón. Al energizarse el solenoide, se libera la presión de la cámara piloto y se igualan las presiones, haciendo que el resorte levante el pistón y abra la válvula. Estas válvulas son conocidas también como “operadas por piloto externo”, dejando para las válvulas anteriores la denominación de “operadas por piloto interno”.

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Al igual que las válvulas de acción directa, se deben tener ciertas consideraciones sobre la relación entre las presiones que afectan al pistón o diafragma. De esta forma, las válvulas solenoide operadas por piloto requieren de una mínima diferencia de presiones entre la entrada y la salida para producir la apertura del puerto principal y mantener al pistón o diafragma en posición abierta. Esta diferencia de presiones es conocida como “Diferencial Mínimo de Presión de Apertura”. Diferencial Mínimo de Presión de Apertura (MinOPD): Según se explicó, una válvula de acción directa no puede actuar si las presiones de la tubería exceden su MOPD. Ello exigiría una mayor fuerza magnética, lo que implica un gasto excesivo en una bobina del tamaño adecuado. Es por esto que en aplicaciones de actuación en presencia de presiones mayores, se utilizan las válvulas de solenoide operadas por piloto. El objetivo de la actuación, la apertura del orificio piloto, es que sea realizada con el menor esfuerzo posible. Sin embargo, en las válvulas operadas por piloto es necesario un diferencial de presión específico una vez que el orificio piloto ha permitido la igualación de las presiones de entrada y salida. Este MinOPD es requerido para levantar al pistón o diafragma del puerto principal. Es importante señalar que las válvulas operadas por piloto, al igual que las de acción directa, deben evitar exceder su MOPD, para lograr un flujo adecuado dentro de la línea.

Variantes para Válvulas de Solenoide: Los principios de operación ya vistos se aplican a una gran variedad de válvulas de solenoide, las cuales difieren entre ellas según ciertas variantes mecánicas y de construcción. Algunos ejemplos de estas variantes son: • Émbolos de Carrera Corta: Están rígidamente conectados a la aguja. Éstos siempre serán utilizados en válvulas de acción directa. • Émbolos de Carrera Larga: Dan un “golpe de martillo” a la válvula al producirse la apertura. • Construcción interconectada mecánicamente de pistón a émbolo: Se utiliza cuando no hay disponible una presión diferencial que haga flotar el pistón. Esta construcción permite que una válvula de solenoide relativamente grande abra y permanezca en posición abierta, con una mínima caída de presión a través de la válvula. Se usa principalmente en trabajos con líneas de succión. • Válvulas operadas por piloto y cargadas con resorte: Se utilizan en puertos de diámetros grandes.

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Válvulas de dos vias De acuerdo a su forma, las válvulas se pueden clasificar según la cantidad de entradas y/o salidas que ella posee. De esta manera, los tres tipos principales de válvulas son las de dos, tres y cuatro vías. La válvula de dos vías es el tipo de válvula solenoide más común, ya que posee una conexión de entrada y una de salida, controlando el flujo del fluido en una sola línea. Ya se ha explicado en profundidad el funcionamiento de válvulas de acción directa y operadas por piloto y pistón, por lo que ahora se dará una reseña del funcionamiento de las válvulas con diafragma flotante. En la Figura 7 se aprecia una válvula operada por piloto, normalmente cerrada y con diafragma flotante. Estas válvulas poseen un orificio igualador que comunica la presión de la entrada con la parte superior del diafragma, empujándolo contra el asiento y manteniendo, de esta manera, cerrada la válvula. El orificio piloto debe ser más grande que el orificio igualador. Cuando se energiza la bobina, el émbolo es atraído por el campo magnético y levanta la aguja del orificio piloto, produciendo la reducción de la presión arriba del diafragma, igualándola con la de salida. El diferencial de presión resultante a través del diafragma crea una fuerza que lo levanta del puerto principal generando la apertura de la válvula. Al desenergizar la bobina se cerrará el orificio piloto, provocando que la presión de entrada se vaya por el agujero igualador y se igualen las presiones sobre y bajo el diafragma. De esta forma, el dispositivo se volverá a sentar y se cerrará la válvula.

Otra especificación de las válvulas de solenoide Corresponde agruparlas según su construcción, ya fuera como normalmente abierta o normalmente cerrada. Básicamente, para el caso de las válvulas solenoide la especificación dependerá del sentido en que actúe la fuerza de la bobina sobre el émbolo. Para la válvulas de acción directa, en los casos en que la aplicación de energía a la bobina abra el puerto principal se hablará de una situación normalmente cerrada, ya que este será el estado de la válvula desenergizada. Esto se aprecia en la Figura 8. En cuanto a las válvulas operadas por piloto, será normalmente abierta cuando el solenoide deba ser energizado de tal forma que produzca un desequilibrio de presiones para forzar el cerrado del pistón o diafragma. En algunos casos, la válvula estará normalmente abierta gracias a un resorte que forzará la apertura del pistón y ejercerá una fuerza opuesta a la del émbolo. La ventaja de las válvulas normalmente abiertas radica en que permanecerán abiertas en caso de fallas en el sistema eléctrico, algo necesario en algunos casos. Estas válvulas con utilizadas especialmente en labores que requieren que haya un flujo de fluido la mayor parte del tiempo.

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Válvulas de tres vias Las válvulas de tres vías tienen una conexión de entrada que es común a dos conexiones de salida distintas, como la que se muestra en la Figura 10. Las válvulas de tres vías son, básicamente, una combinación de la válvula de dos vías normalmente cerrada y de la válvula de dos vías normalmente abierta, en un solo cuerpo y con una sola bobina. La mayoría de estas válvulas son operadas por piloto.

Veamos su funcionamiento. Al estar la bobina desenergizada, con el orificio piloto clausurado, en la parte superior del ensamble del pistón se tiene una presión P1, la cual llega a través de la conexión piloto externa que se observa a la derecha y arriba de la figura. La parte inferior del pistón se encuentra directamente expuesta a la presión de la entrada, P2, produciéndose una diferencia de presiones P2 - P1 que levanta el pistón. Esto permite el flujo de fluido desde la entrada hacia la salida inferior, ya que cierra el puerto para la salida lateral y lo abre para la salida de abajo. Para producir el efecto de desviación, se debe energizar la bobina, con lo cual se levanta el émbolo y la aguja destapa el orificio piloto. De esta forma, se permite el paso del fluido presente en la entrada a través del tubo capilar y hacia la parte superior del ensamble del pistón. Así, se consigue una igualación de las presiones sobre y bajo el pistón, el cual es finalmente empujado hacia abajo por un resorte ubicado sobre éste. Se tendrá entonces que el puerto lateral se abre y el inferior se cierra, con lo que flujo se moverá hacia la salida lateral.

Válvulas de cuatro vías Estas válvulas solenoide son conocidas comúnmente como válvulas reversibles, cuya forma más usual se aprecia en la Figura 11. Éstas poseen una entrada y tres salidas. El funcionamiento de la válvula de cuatro vías se detalla en las Figuras 12 y 13, según el estado energético de la bobina. Cuando la bobina de la válvula piloto se encuentra sin energía, el pistón deslizante está posicionado de tal forma que conecta los puertos B con D1 y S1 con A. De esta forma, la sección superior del deslizante principal está acumulando la presión alta presente en la línea de descarga D. Por otro lado, la parte inferior del deslizante, provisto de un sello que lo aísla de la sección superior, se encuentra expuesta a la presión baja de la línea de succión S. Con esto, se genera un desbalance de presiones en el deslizante principal que provoca la fuerza que lo mantiene en su posición “abajo”. En estas condiciones, se comunican los puertos S y 1 a modo de válvula reversible, mientras los puertos D y 2 mantienen el flujo del fluido principal a través del deslizante de la válvula de cuatro vías. Cuando el solenoide piloto se energiza, atrae hacia arriba el pistón y produce la comunicación entre los puertos A con D1 y los puertos B con S1. Esto produce una acumulación de la alta presión de la línea de entrada en la sección inferior del deslizante principal, mientras que la sección superior está expuesta a presión relativamente baja del canal S. Con esto, el deslizante principal es empujado

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hacia arriba, producto de la fuerza que aparece dada la diferencia de presiones en los extremos del deslizante. Finalmente, el flujo principal será sido desviado desde D hacia 1 y la válvula reversible ahora comunicará los puertos S y 2.

Ejemplo de aplicación Las válvulas de solenoide tienen múltiples aplicaciones, dada su versatilidad como actuador en controles on-off. Control de Nivel de Líquido Si desean manipular el nivel de líquido dentro de un estanque o recipiente, se puede colocar una válvula de solenoide para líquido, seguida de una válvula de expansión manual. La línea de líquido conduce a un recipiente o tambor, en el cual el nivel de fluido está controlado por un interruptor de flotador, como se muestra en la Figura 14. La válvula de solenoide para líquido es accionada por el interruptor del flotador. Cuando el nivel del líquido baja a un nivel predeterminado, el interruptor abre la válvula. Al alcanzarse el nivel deseado, el interruptor cierra la válvula. También se puede obtener la acción inversa intercambiando el sentido de la apertura de la válvula en relación al nivel máximo y mínimo

Fig. 14. Control de nivel de líquido

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Variadores de velocidad Una gran parte de los equipos utilizados en la industria moderna funcionan a velocidades variables, como por ejemplo los trenes laminadores, los mecanismos de elevación, las máquinas-herramientas, etcétera. En los mismos se requiere un control preciso de la velocidad para lograr una adecuada productividad, una buena terminación del producto elaborado, o garantizar la seguridad de personas y bienes. Los principales factores a considerar para el diseño de un sistema de regulación de velocidad son: a) Límites o gama de regulación. b) Progresividad o flexibilidad de regulación. c) Rentabilidad económica. d) Estabilidad de funcionamiento a una velocidad dada. e) Sentido de la regulación (aumento o disminución con respecto a la velocidad nominal). f) Carga admisible a las diferentes velocidades. g) Tipo de carga (par constante, potencia constante, etcétera). h) Condiciones de arranque y frenado.

El estudio de este fenómeno para cada caso particular tiene una gran importancia práctica, ya que la elección correcta de las características de los motores y variadores a instalar para un servicio determinado, requieren el conocimiento de las particularidades de éste proceso. La preferencia actual por la regulación a frecuencia variable se debe a la posibilidad de utilizar el sencillo y robusto motor de jaula de ardilla; cuyo mantenimiento es mucho más fácil que el de un motor de contactos deslizantes, lo que resulta muy importante en máquinas que operan bajo condiciones ambientales difíciles. Además este tipo de motor eléctrico resulta más económico y compacto que los restantes. Asimismo, este método permite transformar fácilmente un equipo de velocidad fija en un accionamiento de velocidad variable, sin realizar grandes modificaciones. Con este tipo de regulación se puede obtener un amplio control de velocidades, con el máximo par disponible en todas las frecuencias con un elevado rendimiento. Si se prolonga la característica al cuadrante generador se puede obtener un frenado muy eficiente por reducción de frecuencia, con una recuperación de energía hacia la red de alimentación. Si bién pueden utilizarse distintos tipos de convertidores de frecuencia rotativos (semejantes al sistema Ward-Leonard), en la actualidad la modificación de la frecuencia se realiza fundamentalmente por medio de variadores estáticos electrónicos que ofrecen una regulación suave, permitiendo un aumento en la vida útil de todas las partes involucradas y originando un ahorro en el mantenimiento por ausencia de partes en movimiento que sufran desgastes. Los mismos se construyen generalmente con tiristores gobernados por un microprocesador que utiliza un algoritmo de control vectorial del flujo, y consisten básicamente en un convertidor estático alterna-alterna (cicloconvertidor) ó alterna-continua-alterna (convertidor de enlace), que permiten la modificación progresiva de la frecuencia aplicada, con la consiguiente modificación de la corriente y el par motor. En algunos casos se agregan filtros de armónicas. En el cicloconvertidor se sintetiza una onda de menor frecuencia a partir de una alimentación polifásica de mayor frecuencia, conectando sucesivamente los terminales del motor a las distintas fases de la alimentación. La onda sintetizada generada es rica en armónicos y en algunos casos el circuito puede generar subarmónicos que podrían llegar a producir problemas si excitasen alguna resonancia mecánica del sistema. Por otro lado, el cicloconvertidor ofrece una transformación simple de energía de buen rendimiento, permite la inversión del flujo de potencia para la regeneración y la transmisión de la corriente reactiva; proporcionando una gama de frecuencias de trabajo que va desde valores cercanos a cero hasta casi 83

la mitad de la frecuencia de alimentación, con fácil inversión de fase para invertir el sentido de rotación. En ciertos casos este tipo de convertidor se emplea en motores asincrónicos de rotor bobinado con alimentación doble, estando el estator conectado a la red y el rotor al convertidor. En el convertidor de enlace la alimentación de la red de corriente alterna se rectifica en forma controlada y luego alternativamente se conmutan las fases del motor al positivo y al negativo de la onda rectificada, de manera de crear una onda de alterna de otra frecuencia. La tensión y frecuencia de salida se controlan por la duración relativa de las conexiones con las distintas polaridades (modulación del ancho de pulso) de manera de conservar constante el cociente tensión / frecuencia para mantener el valor del flujo magnético en el motor. Aunque la onda de tensión obtenida no es sinusoidal, la onda de corriente tiende a serlo por efecto de las inductancias presentes. Además, de este modo se obtiene una amplia gama de frecuencias por encima y por debajo de la correspondiente al suministro, pero exige dispositivos adicionales c.c./c.a. para asegurar el flujo de potencia recuperada. Hay que considerar que las corrientes poliarmónicas generan un calentamiento adicional que disminuye el rendimiento y puede llegar a reducir el par (por ejemplo, el 5º armónico produce un campo giratorio inverso). También cabe acotar que la vibración de los motores aumenta cuando se los alimentan con conversores electrónicos de frecuencia y que la componente de alta frecuencia de la tensión de modo común de los conversores de frecuencia puede causar un acoplamiento con la tierra a través de la capacidad que se forma en los rodamientos, donde las pistas actúan como armaduras y la capa de grasa como dieléctrico. Asimismo digamos que los variadores de velocidad generalmente también sirven para arrancar o detener progresivamente el motor, evitando por ejemplo, los dañinos golpes de ariete que pueden aparecer en las cañerías durante la parada de las bombas. Estos convertidores poseen protecciones contra asimetría, falla de tiristores, sobretemperatura y sobrecarga; además de vigilancia del tiempo de arranque con limitación de la corriente, control de servicio con inversión de marcha, optimización del factor de potencia a carga parcial, maximización del ahorro de energía durante el proceso.

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Contactores El contactor es un interruptor accionado o gobernado a distancia por un electroimán.

Partes constitutivas: 1- Se denomina corriente de llamada a la corriente que acciona el electroimán. La corriente absorbida por la bobina es relativamente elevada debido a que prácticamente la única resistencia es el conductor con que está hacha la bobina. En estas condiciones, el Cos ð es alto (0,8 a 0,9) y la reactancia inductiva muy baja por existir mucho entrehierro entre el núcleo y la armadura. Una vez cerrado el circuito magnético la impedancia de la bobina aumenta, de manera tal que la corriente de llamada se reduce considerablemente. La corriente formada se la denomina de mantenimiento o trabajo. Ésta es mucho más baja - de 6 a 10 veces con un Cos ð más bajo, pero con capacidad para mantener el circuito cerrado. 2- El núcleo es una parte metálica, de material ferromagnético y generalmente en forma de E, y que va fija a la carcaza. Su función es concentrar y aumentar el flujo magnético que genera la bobina - colocada en la columna central del núcleo - para atraer con mayor eficiencia la armadura. Se construye con una serie de láminas delgadas, de acero al silicio con la finalidad de reducir al máximo las corrientes parásitas, aisladas entre sí pero unidas fuertemente por remaches. El magnetismo remanente se elimina completamente por medio de la inserción de un material paramagnético, complementando al pequeño entrehierro. Cuando se alimenta a la bobina con, el núcleo debe llevar un elemento adicional llamado espira de sombra o anillo de desfasaje. Este elemento, al estar desfasado de la onda principal, suministra al circuito magnético un flujo adicional creando una especie de CC. Esto evita ruidos y vibraciones, evitando la elevación la corriente de mantenimiento.

Los contactos son elementos conductores que tienen por objeto establecer o interrumpir el paso de la corriente, ya sea en el circuito de potencia o en el de mando, tan pronto como se energice la bobina. Éstos se pueden dividir en contactos principales y contactos auxiliares.

Contactos Principales: Son contactos instantáneos cuya función específica es establecer o interrumpir el circuito principal, a través del cual se transporta la corriente desde la red a la carga, por el cual deben estar debidamente calibrados y dimensionados para permitir el paso de intensidades requeridas por la carga sin peligro de deteriorarse. Por su función, son contactos únicamente abiertos. 85

Cuando un contactor bajo carga se desenergiza produce una chispa, de manera que aunque la parte móvil se haya separado de la fija, el circuito no se interrumpe inmediatamente. Por eso, y más al trabajar con intensidades muy altas, se necesita de una cámara apagachispas, la cual tiene como función evitar la formación de arco o la propagación del mismo de distintos sistemas.

Contactos Auxiliares: Son aquellos contactos cuya función específica es permitir o interrumpir el paso de corriente a las bobinas de los contactos o a los elementos de señalización, por lo cual están diseñados para intensidades débiles.

Éstos actúan tan pronto se energiza la bobina a excepción de los retardados. Existen dos clases: Contactos NA: llamados también instantáneos de cierre, cuya función es cerrar un circuito cuando se energiza la bobina del contactor al cual pertenecen. Contactos NC: llamados también de instantáneos apertura, cuya función es abrir un circuito cuando se energiza la bobina del contactor al cual pertenecen. Un contactor debe llevar necesariamente un contacto auxiliar instantáneo NA Uno de los contactos auxiliares NA debe cumplir la función de asegurar la autoalimentación de la bobina, por lo cual recibe el nombre específico de auxiliar de sostenimiento o retención. Existen contactores que tienen únicamente contactos auxiliares, ya sean NA, NC o NA y NC. Estos se los llama contactores auxiliares o relés. Cuando un contactor no tiene el número suficiente de contactos auxiliares se puede optar por Bloques aditivos o Contactores auxiliares Para identificar a un contacto auxiliar, a pesar de las marcas del fabricante se utiliza un sistema de números: Si son NC, la entrada es (11, 21, 31, 41...) y la salida (12, 22, 32, 42...) Si son NA, la entrada es (13, 23, 33, 43...) y la salida (14, 24, 34, 44...)

Funcionamiento: Cuando la bobina es recorrida por la corriente eléctrica, genera un campo magnético intenso, de manera que el núcleo atrae con un movimiento muy rápido. Al producirse este movimiento, todos los contactos del contactor (tanto principales como auxiliares) cambien de posición solidariamente: Los contactos cerrados se abren y los abiertos se cierran. Para volver los contactos a su posición inicial reposo basta con desenergizar la bobina.

Clasificación: Se los puede clasificar en: Por tipo de corriente que alimenta la bobina: AC o DC Por la función y la clase de contactos: Contactores principales (con contactos principales y auxiliares) Contactores Auxiliares (con contactos únicamente auxiliares) Por la carga que pueden maniobrar (o categoría de empleo): Se tiene en cuenta la corriente que el contactor debe establecer o cortar durante las maniobras.

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Para ello se toman en cuenta el tipo de carga que controla y las condiciones en las cuales se efectúan los cortes: •

AC1: cargas no inductivas o débilmente inductivas, cuyo factor de potencia es mínimo 0,95.

•

AC2: para arranques de motores de anillos, inversión de marcha, frenado por contracorriente, marcha a impulsos de motores de anillos, cuyo factor de potencia es de 0,3 a 0,7.

•

AC3: para el control de motores jaula de ardilla que se apagan a plena marcha y que en el arranque consumen de 5 a 7 veces la intensidad normal.

•

AC4: Arranque de motores de rotor en cortocircuito, inversión de marcha, marcha a impulsos, frenado por contracorriente.

Ventajas: Control y automatización de equipos y máquinas con procesos complejos, con la ayuda de los aparatos auxiliares de mando como los interruptores de posición, detectores, presostatos, etc. Automatización en el arranque y paro de motores. Posibilidad de maniobrar circuitos sometidos a corrientes muy altas mediante corrientes débiles. Posibilidad de controlar completamente una máquina desde varios puntos de maniobra (estaciones). Ahorro de tiempo al realizar maniobras prolongadas.

Criterios de elección: Para elegir al contactor adecuado hay que tener en cuenta lo siguiente: Tipo de corriente, tensión y frecuencia de alimentación de la bobina. Potencial nominal de la carga. Condiciones de servicio: ligera, normal, dura, extrema. Frecuencia de maniobra, robustez mecánica y robustez eléctrica. Si es para el circuito de potencia o de mando y el número de contactos auxiliares que necesita. Posición del funcionamiento del contactor vertical u horizontal. Categoría de empleo o clase de carga.

Causas de deterioro o daño: Cuando un contactor o no funciona o funciona en forma deficiente, lo primero que debe hacerse es revisar el circuito de mando y de potencia verificando el estado de los conductores y de las conexiones. Otras partes del contactor que suelen sufrir daño o desgaste son: La bobina: Por utilizar más o menos corriente de la especificada por el fabricante El núcleo o la armadura: Cuando no se juntan o lo hacen, pero de manera ruidosa es necesario verificar la tensión en la bobina, que no sea menor a la especificada, que los muelles estén vencidos o muy tensos o la presencia de cuerpos extraños en el entrehierro.

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Los contactos: Su deterioro prematuro ocurre cuando circula a través de ellos corrientes superiores a las que fueron diseñados. De tal manera que conviene revisar: Si se eligió bien el contactor (que corresponda a la potencia nominal del motor), pero si el contactor el es adecuado el daño puede tener su origen en el circuito de mando o por caídas de tensión, cortes de tensión y micro cortes.

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Actuadores Neumáticos

Elementos neumáticos de trabajo Lo energía del aire comprimido se transforma por medio de cilindros en un movimiento lineal de vaivén, y mediante motores neumáticos, en movimiento de giro. Elementos neumáticos de movimiento rectilíneo (cilindros neumáticos) A menudo, la generación de un movimiento rectilíneo con elementos mecánicos combinados con accionamientos eléctricos supone un gasto considerable 1 Cilindros de simple efecto Estos cilindros tienen una sola conexión de aire comprimido. No pueden realizar trabajos más que en un sentido. Se necesita aire sólo para un movimiento de traslación. El vástago retorna por el efecto de un muelle incorporado o de una fuerza externa. El resorte incorporado se calcula de modo que haga regresar el émbolo a su posición inicial a una velocidad suficientemente grande. En los cilindros de simple efecto con muelle incorporado, la longitud de éste limita la carrera. Por eso, estos cilindros no sobrepasan una carrera de unos 100 mm. Se utilizan principalmente para sujetar, expulsar, apretar, levantar, alimentar, etc.

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Cilindro de émbolo La estanqueidad se logra con un material flexible (perbunano), que recubre el pistón metálico o de material plástico. Durante el movimiento del émbolo, los labios de junta se deslizan sobre la pared interna del cilindro. En la segunda ejecución aquí mostrada, el muelle realiza la carrera de trabajo; el aire comprimido hace retornar el vástago a su posición inicial . · Aplicación: frenos de camiones y trenes. · Ventaja: frenado instantáneo en cuanto falla la energía.

Cilindros de doble efecto La fuerza ejercida por el aire comprimido anima al émbolo, en cilindros de doble efecto, a realizar un movimiento de traslación en los dos sentidos. Se dispone de una fuerza útil tanto en la ida como en el retorno Los cilindros de doble efecto se emplean especialmente en los casos en que el émbolo tiene que realizar una misión también al retornar a su posición inicial. En principio, la carrera de los cilindros no está limitada, pero hay que tener en cuenta el pandeo y doblado que puede sufrir el vástago salido. También en este caso, sirven de empaquetadura los labios y émbolos de las membranas.

Cilindros con amortiguación Interna Cuando las masas que traslada un cilindro son grandes, al objeto de evitar un choque brusco y daños es utiliza un sistema de amortiguación que entra en acción momentos antes de alcanzar el final de la carrera. Antes de alcanzar la posición final, un émbolo amortiguador corta la salida directa del aire al exterior .En cambio, es dispone de una sección de escape muy pequeña, a menudo ajustable. El aire comprimido se comprime más en la última parte de la cámara del cilindro. La sobrepresión producida disminuye con el escape de aire a través de las válvulas antirretorno de estrangulación montadas (sección de escapo pequeña). El émbolo se desliza lentamente hasta su posición final. En el cambio de dirección del émbolo, el aire entra sin obstáculos en la cámara del cilindro por la válvula antirretorno.

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Cilindros de doble efecto, en ejecución especial Cilindros de doble vástago Este tipo de cilindros tiene un vástago corrido hacia ambos lados. La guía del vástago es mejor, porque dispone de dos cojinetes y la distancia entre éstos permanece constante. Por eso, este cilindro puede absorber también cargas pequeñas laterales. Los elementos señalizadores pueden disponerse en el lado libre M vástago. La fuerza es igual en los dos sentidos (los superficies del émbolo son iguales). Cilindro de doble vástago

Cilindro tándem Está constituido por dos cilindros de doble efecto que forman una unidad. Gracias a esta disposición, al aplicar simultáneamente presión sobre los dos émbolos se obtiene en el vástago una fuerza de casi el doble de la de un cilindro normal M mismo diámetro. Se utiliza cuando se necesitan fuerzas

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considerables y se dispone de un espacio determinado, no siendo posible utilizar cilindros de un diámetro mayor.

Ejecuciones especiales de cilindros Cilindros de vástago reforzado.

Juntas de émbolo, para presiones elevadas

Cilindros de juntas resistentes a altas temperaturas

Camisa de cilindro, de latón

Superficies de deslizamiento, de cromo

Vástago de acero anticorrosivo

Cuerpo recubierto de plástico y vástago de acero anticorrosivo

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Longitud de carrera La longitud de carrera en cilindros neumáticos no debe exceder de 2000 mm. Con émbolos de gran tamaño y carrera larga, el sistema neumático no resulta económico por el elevado consumo de aire. Cuando la carrera es muy larga, el esfuerzo mecánico del vástago y de los cojinetes de guía es demasiado grande. Para evitar el riesgo de pandeo, si las carreras son grandes deben adoptarse vástagos de diámetro superior a lo normal. Además, al prolongar la carrera la distancia entre cojinetes aumenta y, con ello, mejora la guía del vástago. Velocidad del émbolo La velocidad del émbolo en cilindros neumáticos depende de la fuerza antagonista de la presión del aire, de la longitud de la tubería, de la sección entre los elementos de mando y trabajo y del caudal que circula por el elemento demando. Además, influye en la velocidad la amortiguación final de carrera. Cuando el émbolo abandona la zona de amortiguación, el aire entra por una válvula antirretorno y de estrangulación y produce una reducción de la velocidad. La velocidad media del émbolo, en cilindros estándar, está comprendida entre 0,1 y 1,5 m/s. Con cilindros especiales (cilindros de impacto) se alcanzan velocidades de hasta 10 m/s. La velocidad del émbolo puede regularse con válvulas especiales. Las válvulas de estrangulación, antirretorno y de estrangulación, y las de escape rápido proporcionan velocidades mayores o menores (véase el diagrama en la figura 71).

Componentes Unidad de avance autónoma Esta unidad (cilindro y válvula de mando) se llama también cilindro de accionamiento autónomo . Un cilindro neumático retrocede automáticamente al llegar a la posición final de carrera. Este movimiento de vaivén se mantiene hasta que se corta el aire de alimentación. Este diseño permite emplear estos elementos en máquinas o instalaciones que trabajan en marcha continua. Ejemplos de aplicación son la alimentación y expulsión de piezas de trabajo, y el avance rítmico de cintas de montaje. Esta unidad puede ser conmutada directa o indirectamente. Conviene emplearla para velocidades de émbolo que oscilen entre 3 rn/min y 60 m/min. Gracias a su construcción compacta, existe la posibilidad de montarla en condiciones desfavorables de espacio. La longitud de desplazamiento y la posición de los finales de carrera pueden ajustarse sin escalones. La velocidad de avance y de retorno se pueden regular cada una por separado mediante sendos reguladores de caudal. Los silenciadores incorporados directamente reducen los ruidos del escape de aire.

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CONTROLADORES En todo proceso automático, se encuentra un controlador, que sera el encargado de ejecutar las acciones de control por medio de los actuadores finales y de acuerdo a la información entregada por los sensores y trasmisores. El primer controlador conocido a nivel mundial y utilizado fuertemente fue el regulador de Watt. Este aparato fue utilizado para regular la velocidad de la máquina manipulando el caudal de vapor por medio de una válvula. Por lo tanto, están presentes todos los elementos de realimentación. Aún cuando el principio de control por realimentación existía desde muchos años en la antigüedad, su estudio teórico aparece muy tarde en el desarrollo de la tecnología y la ciencia.

Regulador de Watt Este invento resultará ser de gran importancia en el desarrollo histórico de la Regulación Automática, dado que incorpora el sensor y el actuador en un único ingenio, sin disponer de un amplificador de potencia que aislará el sensor del actuador. Sobre 1868 existían unos 75,000 reguladores de Watt operando en Inglaterra. Los reguladores de Watt suministraban una acción de tipo proporcional y el control de velocidad solo era exacto con una determinada carga mecánica. Además solamente podían operar en un reducido rango de velocidades y necesitaban un continuo y costoso mantenimiento. Se les denominaban moderadores, no controladores. Los primeros reguladores de Watt eran bastante estables debido al gran rozamiento existente entre sus elementos. El mejoramiento de las máquinas y la invención de los sistemas de control automático para regularlos, dio inicio a la Revolución Industrial En la actualidad, existen controladores de procesos tipo analógico y todo o nada u on-off. 94

Al llevar a cabo la función de control, el controlador automático usa la diferencia entre el valor de consigna y las señales de medición para obtener la señal de salida hacia el actuador. La precisión y capacidad de respuesta de estas señales es la limitación básica en la habilidad del controlador para controlar correctamente la medición. Si el transmisor no envía una señal precisa, o si existe un retraso en la medición de la señal, la habilidad del controlador para manipular el proceso será degradada. Al mismo tiempo, el controlador debe tener una señal de valor de consigna precisa (set-point ) En controladores que usan señales de valor de consigna neumática o electrónica generadas dentro del controlador, un falla de calibración del transmisor de valor de consigna resultará necesariamente en que la unidad de control automático llevará a la medición a un valor erróneo. La habilidad del controlador para comandar correctamente el actuador es también otra limitación. Por ejemplo si existe fricción en la válvula, el controlador puede no estar en condiciones de mover la misma a una posición de vástago específica para producir un caudal determinado y esto aparecerá como una diferencia entre la medición y el valor de consigna. Para controlar el proceso, el cambio de salida del controlador debe estar en una dirección que se oponga a cualquier cambio en el valor de medición.

La figura 3 muestra una válvula directa conectada a un control de nivel en un tanque a media escala. A medida que el nivel del tanque se eleva, el flotador es accionado para reducir el caudal entrante, así , cuanto mas alto sea el nivel del líquido mayor será el cierre del ingreso de caudal . De la misma manera, a medida que el nivel cae, el flotante abrirá la válvula para agregar más líquido al tanque. La respuesta de éste sistema es mostrada gráficamente.

A medida que el nivel va desde el 0% al 100%, la válvula se desplaza desde la apertura total hasta totalmente cerrada. La función del controlador automático es producir este tipo de respuesta opuesta sobre rangos variables, como agregado, otras respuestas están disponibles para una mayor eficiencia del control del proceso. Veremos ahora el control tipo on-off ejercido por los controladores todo o nada.

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El principio de funcionamiento de estos controladores se basa en la comparación de una variable de entrada proveniente de un sensor de campo y un valor de consigna. La salida del controlador tendrá 2 estados (on-off) dados por comparación de las variables antes mencionadas. Con este tipo de control se producirá una oscilación de la variable alrededor del valor de consigna, provocando un cambio de estado constante de la salida.

La sensibilidad del control on-off (también llamado “histéresis” o “banda muerta”) se diseña de modo que la salida no cambie de sí a no demasiado rápido. Si el rango de histéresis es muy angosto, habrá una conmutación demasiado rápida que se conoce como tableteo. Este tableteo hace que los contactos de los contactores tengan una vida más corta. Entonces la histéresis deberá ajustarse de modo que haya un retardo suficiente entre los modos “on” y “off”. Debido a la necesidad de esta histéresis habrá siempre lo que se llama “overshoot” y “undershoot”. El “overshoot” es la magnitud en que la temperatura rebasa a la del setpoint, el “undershoot” es lo contrario. Debido a la histéresis necesaria, esta oscilación de la variable estará siempre presente, la magnitud de esta oscilación dependerá de las características del sistema en cuestión

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CONTROLADOR LOGICO PROGRAMABLE PLC Un PLC es un equipo electrónico programable que permite almacenar una secuencia de ordenes (programa) en su interior y ejecutarlo de forma cíclica con el fin de realizar una tarea. Aunque se podría pensar que es el equivalente a un ordenador, existen diferencias entre ambos. El PLC está diseñado para trabajar en ambientes industriales, ejecutar su programa de forma indefinida y es menos propenso a fallos o "cuelgues" que un ordenador convencional. Además, su programación está mas orientada al ámbito industrial, incluso existen lenguajes que "simulan" el comportamiento del equipo con el de un sistema de relés y temporizadores .

Campos de aplicación

El PLC por sus especiales características de diseño tiene un campo de aplicación muy extenso. La constante evolución del hardware y software amplía constantemente este campo para poder satisfacer las necesidades que se detectan en el espectro de sus posibilidades reales. Su utilización se da fundamentalmente en aquellas instalaciones en donde es necesario un proceso de maniobra, control, señalización, etc. , por tanto, su aplicación abarca desde procesos de fabricación industriales de cualquier tipo a transformaciones industriales, control de instalaciones, etc. Sus reducidas dimensiones, la extremada facilidad de su montaje, la posibilidad de almacenar los programas para su posterior y rápida utilización, la modificación o alteración de los mismos, etc., hace que su eficacia se aprecie fundamentalmente en procesos en que se producen necesidades tales como: Espacio reducido Procesos de producción periódicamente cambiantes Procesos secuenciales Maquinaria de procesos variables Instalaciones de procesos complejos y amplios Chequeo de programación centralizada de las partes del proceso

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Ejemplos de aplicaciones generales: Maniobra de máquinas Maquinaria industrial de plástico Máquinas transfer Maquinaria de embalajes Maniobra de instalaciones: Instalación de aire acondicionado, calefacción... Instalaciones de seguridad Señalización y control: Chequeo de programas Señalización del estado de procesos

Ventajas e inconvenientes No todos los autómatas ofrecen las mismas ventajas sobre la lógica cableada, ello es debido, principalmente, a la variedad de modelos existentes en el mercado y las innovaciones técnicas que surgen constantemente. Tales consideraciones me obligan e referirme a las ventajas que proporciona un autómata de tipo medio.

Ventajas •

Menor tiempo empleado en la elaboración de proyectos debido a que:

•

No es necesario dibujar el esquema de contactos

•

No es necesario simplificar las ecuaciones lógicas, ya que, por lo general la capacidad de almacenamiento del módulo de memoria es lo suficientemente grande.

•

La lista de materiales queda sensiblemente reducida, y al elaborar el presupuesto correspondiente eliminaremos parte del problema que supone el contar con diferentes proveedores, distintos plazos de entrega.

•

Posibilidad de introducir modificaciones sin cambiar el cableado ni añadir aparatos.

•

Mínimo espacio de ocupación.

•

Menor coste de mano de obra de la instalación.

•

Economía de mantenimiento. Además de aumentar la fiabilidad del sistema, al eliminar contactos móviles, los mismos autómatas pueden indicar y detectar averías.

•

Posibilidad de gobernar varias máquinas con un mismo autómata.

•

Menor tiempo para la puesta en funcionamiento del proceso al quedar reducido el tiempo cableado.

•

Si por alguna razón la máquina queda fuera de servicio, el autómata sigue siendo útil para otra máquina o sistema de producción.

Inconvenientes Como inconvenientes podríamos hablar, en primer lugar, de que hace falta un programador, lo que obliga a adiestrar a uno de los técnicos en tal sentido, pero hoy en día ese inconveniente esta solucionado porque las universidades ya se encargan de dicho adiestramiento. •

El coste inicial también puede ser un inconveniente.

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Funciones básicas de un PLC •

Detección:

Lectura de la señal de los captadores distribuidos por el sistema de fabricación. •

Mando:

Elaborar y enviar las acciones al sistema mediante los accionadores y preaccionadores. •

Dialogo hombre maquina:

Mantener un diálogo con los operarios de producción, obedeciendo sus consignas e informando del estado del proceso. •

Programación:

Para introducir, elaborar y cambiar el programa de aplicación del autómata. El dialogo de programación debe permitir modificar el programa incluso con el autómata controlando la maquina.

Nuevas Funciones •

Redes de comunicación:

Permiten establecer comunicación con otras partes de control. Las redes industriales permiten la comunicación y el intercambio de datos entre autómatas a tiempo real. En unos cuantos milisegundos pueden enviarse telegramas e intercambiar tablas de memoria compartida. •

Sistemas de supervisión:

También los autómatas permiten comunicarse con ordenadores provistos de programas de supervisión industrial. Esta comunicación se realiza por una red industrial o por medio de una simple conexión por el puerto serie del ordenador. •

Control de procesos continuos:

Además de dedicarse al control de sistemas de eventos discretos los autómatas llevan incorporadas funciones que permiten el control de procesos continuos. Disponen de módulos de entrada y salida analógicas y la posibilidad de ejecutar reguladores PID que están programados en el autómata. •

Entradas- Salidas distribuidas:

Los módulos de entrada salida no tienen porqué estar en el armario del autómata. Pueden estar distribuidos por la instalación, se comunican con la unidad central del autómata mediante un cable de red. •

Buses de campo:

Mediante un solo cable de comunicación se pueden conectar al bus captadores y accionadores, reemplazando al cableado tradicional. El autómata consulta cíclicamente el estado de los captadores y actualiza el estado de los accionadores.

Estructura interna El autómata está constituido por diferentes elementos, pero tres son los básicos: •

CPU

•

Entradas

•

Salidas

Con las partes mencionadas podemos decir que tenemos un autómata pero para que sea operativo son necesarios otros elementos tales como: •

Fuente de alimentación 99

•

Interfaces

•

La unidad o consola de programación

•

Los dispositivos periféricos

La CPU(Central Procesing Unit) es la parte inteligente del sistema. Interpreta las instrucciones del programa de usuario y consulta el estado de las entradas. Dependiendo de dichos estados y del programa, ordena la activación de las salidas deseadas. La CPU está constituida por los siguientes elementos: •

Procesador

•

Memoria monitor del sistema

•

Circuitos auxiliares

Funciones básicas de la CPU En la memoria ROM del sistema, el fabricante ha grabado una serie de programas ejecutivos, software del sistema y es a estos programas a los que accederá el µp para realizar las funciones. El software del sistema de cualquier autómata consta de una serie de funciones básicas que realiza en determinados tiempos de cada ciclo. En general cada autómata contiene y realiza las siguientes funciones: •

Vigilar que el tiempo de ejecución del programa de usuario no exceda de un determinado tiempo máximo. A esta función se le denomina Watchdog.

•

Ejecutar el programa usuario.

•

Crear una imagen de las entradas, ya que el programa de usuario no debe acceder directamente a dichas entradas.

•

Renovar el estado de las salidas en función de la imagen de las mismas, obtenida al final del ciclo de ejecución del programa usuario.

•

Chequeo del sistema.

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Interfaces En el control de un proceso automatizado, es imprescindible un dialogo entre operador-máquina junto con una comunicación entre la máquina y el autómata, estas comunicaciones se establecerán por medio del conjunto de entradas y salidas del citado elemento. Los autómatas son capaces de manejar tensiones y corrientes de nivel industrial, gracias a que disponen un bloque de circuitos de interfaz de E/S muy potente, que les permite conectarse directamente con los sensores y accionamientos del proceso. De entre todos los tipos de interfaces que existen, las interfaces especificas permiten la conexión con elementos muy concretos del proceso de automatización. Se pueden distinguir entre ellas tres grupos bien diferenciados: •

Entradas / salidas especiales.

•

Entradas / salidas inteligentes.

•

Procesadores periféricos inteligentes.

Las interfaces especiales del primer grupo se caracterizan por no influir en las variables de estado del proceso de automatización. Únicamente se encargan de adecuar las E/S, para que puedan ser inteligibles por la CPU, si son entradas, o para que puedan ser interpretadas correctamente por actuadores (motores, cilindros, etc.), en el caso de las salidas. Las del segundo grupo admiten múltiples modos de configuración, por medio de unas combinaciones binarias situadas en la misma tarjeta. De esta forma se descarga de trabajo a la unidad central, con las ventajas que conlleva. Los procesadores periféricos inteligentes, son módulos que incluyen su propio procesador, memorias y puntos auxiliares de entrada / salida. Estos procesadores contienen en origen un programa especializado en la ejecución de una tarea concreta, a la que le basta conocer los puntos de consigna y los parámetros de aplicación para ejecutar, de forma autónoma e independiente de la CPU principal, el programa de control.

Entradas salidas Hay dos tipos de entradas: •

Entradas digitales

•

Entradas analógicas

La sección de salida también mediante interfaz trabaja de forma inversa a las entradas, es decir, decodifica las señales procedentes de la CPU, y las amplifica y manda con ellas los dispositivos de salida o actuadores como lámparas, relés... aquí también existen unos interfaces de adaptación a las salidas de protección de circuitos internos. Hay dos tipos de salidas: •

Salidas digitales

•

Salidas analógicas

Entradas digitales Los módulos de entrada digitales permiten conectar al autómata captadores de tipo todo o nada como finales de carrera pulsadores... Los módulos de entrada digitales trabajan con señales de tensión, por ejemplo cuando por una vía llegan 24 voltios se interpreta como un "1" y cuando llegan cero voltios se interpreta como un "0"

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El proceso de adquisición de la señal digital consta de varias etapas. •

Protección contra sobretensiones

•

Filtrado

•

Puesta en forma de la onda

•

Aislamiento galvánico o por optoacoplador.

Entradas analógicas Los módulos de entrada analógicas permiten que los autómatas programables trabajen con accionadores de mando analógico y lean señales de tipo analógico como pueden ser la temperatura, la presión o el caudal. Los módulos de entradas analógicas convierten una magnitud analógica en un numero que se deposita en una variable interna del autómata. Lo que realiza es una conversión A/D, puesto que el autómata solo trabajar con señales digitales. Esta conversión se realiza con una precisión o resolución determinada (numero de bits) y cada cierto intervalo de tiempo (periodo muestreo). Los módulos de entrada analógica pueden leer tensión o intensidad. El proceso de adquisición de la señal analógica consta de varias etapas: •

Filtrado

•

Conversión A/D

•

Memoria interna

Salidas digitales Un módulo de salida digital permite al autómata programable actuar sobre los preaccionadores y accionadores que admitan ordenes de tipo todo o nada. El valor binario de las salidas digitales se convierte en la apertura o cierre de un relé interno del autómata en el caso de módulos de salidas a relé. En los módulos estáticos (bornero), los elementos que conmutan son los componentes electrónico como transistores o triacs, y en los módulos electromecánicos son contactos de relés internos al módulo. Los módulos de salidas estáticos al suministrar tensión, solo pueden actuar sobre elementos que trabajan todos a la misma tensión, en cambio los módulos de salida electromecánicos, al ser libres de tensión, pueden actuar sobre elementos que trabajen a tensiones distintas. El proceso de envío de la señal digital consta de varias etapas: •

Puesta en forma

•

Aislamiento

•

Circuito de mando (relé interno)

•

Protección electrónica

•

Tratamiento cortocircuitos

Salidas analógicas Los módulos de salida analógica permiten que el valor de una variable numérica interna del autómata se convierta en tensión o intensidad.

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Lo que realiza es una conversión D/A, puesto que el autómata solo trabaja con señales digitales. Esta conversión se realiza con una precisión o resolución determinada (numero de bits) y cada cierto intervalo de tiempo (periodo muestreo). Esta tensión o intensidad puede servir de referencia de mando para actuadores que admitan mando analógico como pueden ser los variadores de velocidad, las etapas de los tiristores de los hornos, reguladores de temperatura... permitiendo al autómata realiza funciones de regulación y control de procesos continuos. El proceso de envío de la señal analógica consta de varias etapas: •

Aislamiento galvánico

•

Conversión D/A

•

Circuitos de amplificación y adaptación

•

Protección electrónica de la salida

Como hemos visto las señales analógicas sufren un gran proceso de adaptación tanto en los módulos de entrada como en los módulos de salida. Las funciones de conversión A/D y D/A que realiza son esenciales. Por ello los módulos de E/S analógicos se les considera módulos de E/S especiales.

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COMUNICACIONES – BUSES DE CAMPO Las redes de comunicaciones industriales deben su origen a la fundación FieldBus (Redes de campo). La fundación FieldBus, desarrollo un nuevo protocolo de comunicación, para la medición y control de procesos donde todos los instrumentos puedan comunicarse en una misma plataforma.

Las comunicaciones entre los instrumentos de proceso y el sistema de control se basan principalmente en señales analógicas (neumáticas de 3 a 15 psi en las válvulas de control y electrónicas de 4 a 20 mA cc). Pero ya existen instrumentos digitales capaces de manejar gran cantidad de datos y guardarlos históricamente; su precisión es diez veces mayor que la de la señal típica de 4-20 mA cc. En vez de transmitir cada variable por un par de hilos, transmiten secuencialmente las variables por medio de un cable de comunicaciones llamado bus.

La tecnología fieldbus (bus de campo) es un protocolo de comunicaciones digital de alta velocidad que esta creada para remplazar la clásica señal de 4-20 mA que aún se utiliza en muchos de los sistemas DCS (Sistema de Control Distribuido) y PLC (Controladores Lógicos Programables), instrumentos de medida y transmisión y válvulas de control. La arquitectura fieldbus conecta estos instrumentos con computadores que se usan en diferentes niveles de coordinación y dirección de la planta. Muchos de los protocolos patentados para dichas aplicaciones tiene una limitante y es que el fabricante no permite al usuario final la interoperabilidad de instrumentos, es decir, no es posible intercambiar los instrumentos de un fabricante por otro similar. Es claro que estas tecnologías cerradas tienden a desparecer ya que actualmente es necesaria la interoperabilidad de sistemas y aparatos y así tener la capacidad de manejar sistemas abiertos y estandarizados. Con el mejoramiento de los protocolos de comunicación es ahora posible reducir el tiempo necesitado para la transferencia de datos, asegurando la misma, garantizando el tiempo de sincronización y el tiempo real de respuesta determinística en algunas aplicaciones.

La tecnología de buses de campo Físicamente podemos considerar a un bus como un conjunto de conductores conectando conjuntamente más circuitos para permitir el intercambio de datos. Contrario a una conexión punto a punto donde solo dos dispositivos intercambian información, un bus consta normalmente de un número de usuarios superior, además que generalmente un bus transmite datos en modo serial, a

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excepción de algún protocolo de bus particular como SCSI, o IEEE-488 utilizado para interconexión de instrumentos de medición, que no es el caso de los buses tratados como buses de campo. Para una transmisión serial es suficiente un número de cables muy limitado, generalmente son suficientes dos o tres conductores y la debida protección contra las perturbaciones externas para permitir su tendido en ambientes de ruido industrial.

Ventajas de un bus de campo - El intercambio puede llevar a cabo por medio de un mecanismo estándar. - Flexibilidad de extensión. - Conexión de módulos diferentes en una misma línea. - Posibilidad de conexión de dispositivos de diferentes procedencias. - Distancias operativas superiores al cableado tradicional. Reducción masiva de cables y costo asociado. - Simplificación de la puesta en servicio.

Desventajas de un bus de campo - Necesidad de conocimientos superiores. - Inversión de instrumentación y accesorios de diagnóstico. - Costos globales inicialmente superiores.

Procesos de comunicación por medio de bus El modo más sencillo de comunicación con el bus es el sondeo cliente/servidor. Más eficiente pero también más costoso es el Token bus ( IEEE 802.4), desde el punto de vista físico tenemos un bus lineal, desde el punto de vista lógico un token ring. El procedimiento token passing es una combinación entre cliente/servidor y token bus. Todo servidor inteligente puede ser en algún momento servidor.

Algunos tipos de bus La mayoría de los buses trabajan en el nivel 1 con interfaz RS 485.

ASI (Actuator Sensor Interface) Es el bus más inmediato en el nivel de campo y más sencillo de controlar, consiste en un bus cliente/servidor con un máximo de 31 participantes, transmite por paquetes de solo 4 bits de dato. Es muy veloz, con un ciclo de 5 ms aproximadamente. Alcanza distancias de máximo 100 m.

BITBUS Es el más difundido en todo el mundo, es cliente/servidor que admite como máximo 56 clientes, el paquete puede transmitir hasta 43 bytes de dato.

PROFIBUS (PROcess FIeld BUS) Es el estándar europeo en tecnología de buses, se encuentra jerárquicamente por encima de ASI y BITBUS, trabaja según procedimiento híbrido token passing, dispone de 31 participantes hasta un máximo de 127. Su paquete puede transmitir un máximo de 246 Bytes, y el ciclo para 31participantes es de aproximadamente 90 ms. Alcanza una distancia de hasta 22300 m.

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FieldBus en OSI En la arquitectura OSI, fieldbus ocupa los niveles 1 (Físico), 2 (Enlace de Datos) y 7 (Aplicación); teniendo en cuenta que este último no solo se encarga de la interfaz de usuario sino de aplicaciones especificas dependiendo de cada aplicación.

Clasificacion de las redes industriales. Si se clasifican las redes industriales en diferentes categorías basándose en la funcionalidad, se hará en:

Buses Actuadores y Sensores Inicialmente es usado un sensor y un bus actuador en conexión simple, dispositivos discretos con inteligencia limitada, como un foto sensor, un switch limitador o una válvula solenoide, controladores y consolas terminales.

Buses de Campo y Dispositivos Estas redes se distinguen por la forma como manejan el tamaño del mensaje y el tiempo de respuesta. En general estas redes conectan dispositivos inteligentes en una sola red distribuida.

Estas redes ofrecen altos niveles de diagnóstico y capacidad de configuración, generalmente al nivel del poder de procesamiento de los dispositivos más inteligentes. Son las redes más sofisticadas que trabajan con control distribuido real entre dispositivos inteligentes, tal es el caso de FIELDBUS FOUNDATION.

Componentes de las redes industriales. En grandes redes industriales un simple cable no es suficiente para conectar el conjunto de todos los nodos de la red. Deben definirse topologías y diseños de redes para proveer un aislamiento y conocer los requerimientos de funcionamiento.

Bridge Con un puente la conexión entre dos diferentes secciones de red, puede tener diferentes características eléctricas y protocolos; además puede enlazar dos redes diferentes.

Repetidor El repetidor o amplificador es un dispositivo que intensifica las señales eléctricas para que puedan viajar grandes distancias entre nodos. Con este dispositivo se pueden conectar un gran número de nodos a la red; además se pueden adaptar a diferentes medios físicos como cable coaxial o fibra óptica.

Gateway Un gateway es similar a un puente ya que suministra interoperabilidad entre buses y diferentes tipos de protocolos y además las aplicaciones pueden comunicarse a través de él.

Enrutadores Es un switch "Enrutador" de paquetes de comunicación entre diferentes segmentos de red que definen la ruta.

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Topologia de redes industriales Los sistemas industriales usualmente consisten de dos o mas dispositivos, como un sistema industrial puede ser bastante grande debe considerarse la topología de la red; las topologías más comunes son: La Red Bus, Red Estrella y Red Híbrida

Beneficios de una red industrial - Reducción de cableado (físicamente) - Dispositivos inteligentes (funcionalidad y ejecución) - Control distribuido (Flexibilidad) - Simplificación de cableado de las nuevas instalaciones - Reducción de costo en cableado y cajas de conexión - Aplicable a todo tipo de sistema de manufactura - Incremento de la confiabilidad de los sistemas de producción - Optimización de los procesos existentes.

Redes industriales con plc Muchos sistemas están conformados por equipos de diferentes fabricantes y funcionan en diferentes niveles de automatización; además, a menudo se encuentran distanciados entre sí; pero sin embargo, se desea que trabajen en forma coordinada para un resultado satisfactorio del proceso. El objetivo principal es la comunicación totalmente integrada en el sistema. Al usuario, esto le reporta la máxima flexibilidad ya que también puede integrar sin problemas productos de otros fabricantes a través de las interfaces software estandarizadas. En los últimos años, las aplicaciones industriales basadas en comunicación digital se han incrementado haciendo posible la conexión de sensores, actuadores y equipos de control en una planta de procesamiento. De esta manera, la comunicación entre la sala de control y los instrumentos de campo se han convertido en realidad. La Comunicación digital debe integrar la información provista por los elementos de campo en el sistema de control de procesos.

Soluciones con ethernet

Aunque los buses de campo continuarán dominando las redes industriales, las soluciones basadas en Ethernet se están utilizando cada vez más en el sector de las tecnologías de automatización, donde las secuencias de procesos y producción son controladas por un modelo cliente/servidor con controladores, PLC y sistemas ERP (Planificación de los recursos de la empresa), teniendo acceso a cada sensor que se conecta a la red. La implementación de una red efectiva y segura también requiere el uso de conectores apropiados, disponibles en una amplia variedad y para soluciones muy flexibles. Los Gateway son dispositivos de capa de transporte; en donde la capa de aplicación no necesariamente es software por lo general las aplicaciones son de audio (alarmas), video (vigilancia), monitoreo y control (sensores), conversión análoga/digital y digital/analóga. Para la programación de gateway de alto nivel se utiliza el C++ y para la programación menos avanzada se hace con hojas de cálculo. Estos dispositivos pueden ser programados de tal forma que en caso de una emergencia o un simple cambio a otro proceso no se haga manualmente sino realmente automático.

Conclusión Hoy en día las tecnologías que triunfan en el mercado son aquellas que ofrecen las mejores ventajas y seguridad a los clientes, cada vez se está acabando con tecnologías cerradas; que en un mundo en proceso de globalización, es imposible que sobrevivan. A nivel industrial se está dando un gran cambio, ya que no solo se pretende trabajar con la especificidad de la instrumentación y el control automático, sino que existe la necesidad de mantener históricamente información de todos los procesos, además que esta información este también en tiempo real y que sirva para la toma de decisiones y se pueda así mejorar la calidad de los procesos. 107

Las condiciones extremas a nivel industrial requieren de equipos capaces de soportar altas temperaturas, ruido excesivo, polvo, humedad y demás condiciones adversas; pero además requiere de personal capaz de ver globalmente el sistema de control y automatización industrial junto con el sistema de red digital de datos.

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EJEMPLOS DE PROCESOS

Descripción de funcionamiento:

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Descripción de funcionamiento:

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